Uplatnění 3D tisku v elektronice

3D tisk se dnes uplatňuje nejen jako výrobní artikl pro málo namáhané plastové díly, které je mnohdy obtížné či nákladné vyrábět klasicky, ale také v nejrůznějších průmyslových aplikacích jako součást návrhového procesu. Tato čím dál tím více dostupná technologie nabízí nové možnosti v optimalizaci průmyslového návrhu od funkčního principu zařízení až po design review.

Jednou ze zásadních úloh při vývoji elektronického zařízení je koordinace návrhu vlastních elektronických a mechanických částí, konkrétně pak správný návrh rozměrů a tvaru pouzdra vzhledem k rozměrům desek plošných spojů a ostatních komponent. Přitom skloubit oba návrhy v rámci jednoho procesu není vždy jednoduché, neboť většina nástrojů na návrh DPS modelování složitějších součástí nepodporuje. Tedy v případě, že se výsledný návrh skládá ze dvou nebo více samostatně navrhovaných dílů, je vlastně nemožné modelovat celkový výsledný design plánovaného produktu. Hlavní rozdíl mezi návrhovým a reálným prostorovým uspořádáním je, zejména v případě desek plošných spojů, rozdílnost nároků na prostor v okolí osazené DPS oproti desce prázdné. Zároveň je trendem, zejména spotřební elektroniky, maximální kompaktnost, až téměř miniaturizace výsledných produktů. A proto možností, jak ještě před vyhotovením vlastního prototypu ověřit správnost a přesnost návrhu, je pak užití právě 3D tiskové technologie.

Stále více softwarových nástrojů pro návrh DPS přitom právě 3D výstup osazených desek podporuje, jak je detailně popsáno dále. Standardizovaný formát 3D modelů z návrhového SW umožňuje vytištění jednotlivých komponent či sestav finálního výrobku. Tisknout lze jednak vnější pouzdro zařízení, ale stejně tak veškeré fyzické části uvnitř něj, tedy tištěné spoje, ohebné tištěné spoje, transformátory, konektory, tlačítka, displeje a mechanické části. Přitom i rozměrné sestavy a stroje není problematické vytvořit dokonce i během jednoho tiskového procesu, kdy díky kombinaci tisku stavebním a podpůrným materiálem lze v případě potřeby vyrobit sestavu z jinak nezávislých pohyblivých částí.

Uplatnění 3D tisku v elektronice

Po konečném sestavení všech částí zařízení jsou zřetelné veškeré odchylky od navrhovaných rozměrů a tvarů, případné kolize, nepřesnosti a chyby návrhu. Zároveň má uživatel k dispozici model výrobku zcela odpovídající skutečnému výsledku. Ten pak lze zároveň využít při vlastním testování ergonomie prototypu, lepší představě o designu a prezentaci.

Princip 3D tisku

Přiblížit a objasnit princip tisku 3D modelů můžeme nejlépe na příkladu standardní černobílé inkoustové tiskárny, kterou každý zná. Černobílá inkoustová tiskárna nanáší tiskový materiál – inkoust – na plochu v souřadnicích x a y tak, jak jí nařizuje řídicí SW tiskárny. Ten převádí tištený text nebo obraz právě do struktury dvourozměrných souřadnic „x“ a „y“. Tiskneme tak na ploše, tedy v tomto dvourozměrném prostoru, s jedním tiskovým materiálem, inkoustem. 3D tiskárna pracuje na podobném principu, pouze doplňuje tiskový prostor o vertikální osu „z“. Také využívá pro tisk dva materiály:

• stavební materiál, který je oním materiálem, ze kterého se „tiskem“ tvoří výsledný 3D model, a
• podpůrný materiál, který umožňuje stavebnímu materiálu vytvořit požadovaný vzhled.

Oba materiály jsou nanášeny (tištěny) současně s tím, že podpůrný materiál pomáhá stavebnímu materiálu držet formu tištěného prototypu do té doby, než ztuhne. Princip tiskárny tedy spočívá v nanášení jednotlivých vrstev materiálu postupně na sebe pomocí speciální tiskové pracovní hlavy. Když je celý 3D model takto „vytištěn“, nastává následná úprava – „post processing“, která spočívá v odstranění podpůrného materiálu z vytištěného modelu. Jedná se o velice jednoduchý bezkontaktní proces, který funguje na principu zvýšené teploty a gravitace. Podpůrný materiál je tvořen speciálním voskem, při zahřátí modelu v jednotce (tzv. „finisheru“) se zahřeje na teplotu 80 °C, kdy dojde k samovolnému odtavení a jeho odtečení. Při této úpravě nejsou modely vystaveny působení jiných sil nebo obsluhy, proto nehrozí poškození jemných detailů nebo funkčních ploch. Takovouto jednoduchou dodatečnou úpravou získáme dokonalý 3D model.

Další otázkou, kterou si jistě zájemce o 3D tisky položí, je otázka kvality vytištěného 3D modelu. Tedy jak přesný 3D model je. Přesnost je různá a je dána rozlišením tisku 3D modelu. Opět si vezměme analogii s dvourozměrnými obrázky. Jistě všichni víme, jak se liší kvalita fotografie podle rozlišení, tedy podle toho, kolik pixelů obsahuje. U 3D tisku je tomu obdobně. Zařízení ProJet HD 3000, které se využívá na ČVUT v LVR, je plně automatizovaná 3D tiskárna s velmi vysokým rozlišením. Tiskárna má dvojí rozlišení – HD a UHD:

• V HD je velikost pracovní plochy 298 × 185 × 203 mm a odpovídající rozlišení je potom 328 × 328 × 606 DPI (xyz), tedy tloušťka vrstvy 0,036 mm.
• V rozlišení UHD je pracovní plocha 127 × 178 × 152 mm, které odpovídá 656 × 656 × 800 DPI (xyz) – minimální tloušťka vytištěné vrstvy je pak pouhých 0,016 mm.

Přesnost tisku se uvádí 0,025–0,05 mm a je možné říci, že závisí na geometrii a velikosti modelu, jeho orientaci v pracovní ploše a na metodě post-processingu, minimální síla stěny modelu je cca 0,1 mm.

Obr. 2 Příklady vytisknutých 3D modelů

Kvalita vytištěného 3D modelu – jak už je z popisu jasné – vychází vedle potřebné míry rozlišení i z kvality stavebních a podpůrných materiálů. Produktová řada stavebních materiálů VisiJet R, kterou např. LVR na ČVUT používá, je na bázi akrylátu a umožňuje stavbu vysoce přesných a tvarově stálých modelů, využitelných pro široké spektrum aplikací. Tyto materiály jsou dále vhodné pro další povrchovou úpravu, jako je vrtání, broušení, leštění, lakování nebo vakuové pokovení, které je obzvláště vhodné pro elektrotechnický průmysl. Nejčastěji používaným materiálem pro vakuové pokovení je hliník. Touto technologií lze nanášet i další ryzí kovy, jako je měď, nikl, chróm, stříbro, zlato a další. Výsledkem jsou díly pro elektrotechnický průmysl, komponenty osvětlovacích těles, dále pak možnost nanášení elektrovodivých vrstev.

3D tisk modelu desky plošných spojů

Je pochopitelné, že podklad pro vytištění, který umí 3D tiskána „načíst“, je třeba předem připravit, a tím zadat tiskovou úlohu. Cesta od myšlenky k vizualizaci modelu ve formě 3D tisku jde přes několik postupných kroků:

• 3D tiskárna používá jako zdrojová data formát STL (stereolitography). Stereolitografie je souborový formát původně určený pro CAD software, vytvořený firmou 3D Systems. STL je také známý jako „Standard Tessellation Language“. Tento formát je podporován mnoha softwary. Formát je široce používán pro rapid prototyping a automatizovanou výrobu. STL soubory popisují pouze geometrii povrchu trojrozměrného objektu bez jakéhokoliv zastoupení barvy, textury nebo jiných běžných atributů modelu. Formát STL má verze ASCII a binární reprezentace. S binárními soubory se setkáváme častěji. Soubor STL popisuje „surový“ nestrukturovaný triangulovaný povrch v trojrozměrném kartézském souřadnicovém systému. STL souřadnice musí být kladná čísla, není zde žádná informace o měřítku, jednotky jsou tedy libovolné. Co to pro nás znamená? Musíme si zajistit přenos informace o absolutní velikosti modelu v rámci našeho workflow a je třeba tuto informaci distribuovat spolu se souborem.
• Návrh DPS vytvoříme v návrhovém programu, např. OrCAD. Z tohoto návrhového SW můžeme 3D náhled osazené desky vyexportovat ve formátu .IDF. Poslední verze SW OrCAD 16.6 umožňuje i podporu souboru ve formátu STEP. Tento formát nám umožní další práci s modelem v náhledovém zobrazení (např. STPViewer), ve kterém můžeme zkontrolovat, zda navržený model skutečně odpovídá našim představám, a s použitím programu FreeCAD můžeme provést další export do zmíněného STL. Konzistenci dat (použitelnost pro software tiskárny) ověříme nejlépe v softwaru Netfab studio, pomůže i trial verze. Registrovaná verze umožnuje i případné opravy a úpravy v souboru, měření, řezy, export jednotlivých částí atd. Přehlednou formou nás informuje o „zdraví“ našeho souboru.
• Následuje import do tiskové aplikace, asistované umístění částí na tiskovou platformu a poté samotný tisk.

3D tisk na ČVUT – LVR

Univerzitní pracoviště ČVUT využívá metodu tvorby prototypů, tzv. „Rapid Prototyping“, v Laboratoři pro vývoj a realizaci (zkráceně LVR), která je součástí Fakulty elektrotechnické, katedry telekomunikací. Základem pracoviště je 3D tiskárna HD3000 řady ProJetTM firmy 3D Systems. Ta umožňuje vytváření přesných mechanických částí technologii MJM (Multi Jet Modeling).

LVR v současné době využívá metodu 3D tisku především pro:

• designové studie,
• modely pro funkční testování,
• kompletní mechanické sestavy vhodné pro funkční testování,
• vysoce detailní součásti pro elektroniku a mikroelektroniku,
• „Mastermodely” pro výrobu forem,
• vysoce detailní modely pro výrobu odlitků metodou ztraceného vosku, díly vhodné pro použití ve strojírenství, bioinženýrství nebo zdravotnictví.

Přehled podporovaných materiálů pro 3D tisk:

• VisiJet HR200 (stavební materiál, barva tmavě modrá, možnost výroby kovových odlitků),
• VisiJet SR200 (stavební materiál, 3barevná provedení, modrá, bílá, šedá),
• VisiJet EX200 (stavební materiál, barva transparentní, odolný materiál s vysokým rozlišením a vlastnostmi plastu),
• VisiJet S100 (podpůrný materiál na bázi vosku, barva bílá).

Nejvíce používaným stavebním materiálem je nový materiál VisiJet EX200.