Navrhujte elektroniku ve 3D

Článek popisuje možnosti využití 3D při návrhu plošných spojů. Glosuje výhody a nevýhody vytváření prostorových modelů, prakticky poukazuje na profesionální, ale i bezplatné MCAD programy, v nichž lze modely vytvářet. Přiložené obrázky naznačují výhody kvalitních trojdimenzionálních modelů a poukazují na nedostatky modelů elementárních.

O možnostech 3D zobrazení navržené desky plošných spojů jste si mohli přečíst v článku pana Ing. Klauze v čísle 1/2011 časopisu DPS, na který plynule navazuji. Dosavadní návrh plošných spojů byl prováděn převážně v dvourozměrném prostoru, což sebou přinášelo, a stále přináší, jistá omezení. S vývojem výpočetní techniky a ECAD (Electronic Computer Aided Design) programů přišel nástup návrhu plošných spojů i ve třetím rozměru. Dnes je sice běžné, že prostorového návrhu využívají konstruktéři MCAD (Mechanical Computer Aided Design) programů, nicméně v ECAD programech je pro většinu lidí 3D stále něco nadbytečného. A přitom je trojrozměrné zobrazení pro člověka mnohem přirozenější než 2D.

Nevýhodou práce v 3D zobrazení je časová a programová náročnost. Prodloužení času při vytvoření prostorových modelů součástky do knihovny ECAD programu je 10 % u jednoduchých a 30 % u modelů kvalitních. Zde vycházím ze zkušenosti, kdy je k dispozici 3D myš a 3 monitory, které práci velmi urychlují. Důležité je dělat objemové modely kvalitně, pokud se o ně chcete dále opírat při návrhu DPS nebo výrobě mechanických částí navazujících na navrhovanou desku. Velkou výhodou je, že čím dál více výrobců součástek nabízí na svých webových stránkách CAD modely ke všem nabízeným produktům. Tyto modely jsou velmi kvalitní (dle nich se skutečné součástky vyrábí), většinou se ale musíte u výrobce zaregistrovat či požádat o CAD model přes email.

Výhod 3D modelů je na druhé straně několik. Za prvé je to velká přehlednost a představivost finálního výrobku. Na desku se lze podívat z jakéhokoli úhlu a mnohdy tak lze nalézt výhodnější pozice součástek nebo odhalit mechanické závady. Pokud program pracuje ve třech osách, upozorní Vás okamžitě na vzniklý konflikt mezi objekty.

Obrovskou výhodou je především výroba DPS správně napoprvé. Díky dobrým 3D modelům odpadnou náklady spojené s kontrolou správných rozměrů motivů pouzder (footprint) na desce a ušetříte drahocenný čas. Pravidlo o kvalitních modelech zde platí více než jinde. Občas se při vytváření součástky v knihovně stane, že při kreslení pájecího motivu se člověk zmýlí a udělá plošky pro součástku příliš malé či velké, nebo je umístí blízko či daleko od sebe (viz obr. 1). Pokud si tohoto omylu nevšimnete, zjistíte chybu až při pájení. Díky vkládání 3D modelů se můžete této chyby vyvarovat, poněvadž vidíte, jak velké jsou piny součástky a kde jsou umístěny (obr. 2).

Obr. 1 Nesprávné umístění plošek pro součástku

Obr. 2 Opravený footprint pro součástku

Pokud je k dispozici dobrý MCAD, je možné navíc provést teplotní analýzy nebo analýzy proudění vzduchu na celé desce se součástkami. Možná je i spolupráce s 3D EM simulačními programy (např. CST Micro Wave Studio), do kterých se načte model desky ve STEP formátu za účelem simulace chování antény. Další využití prostorových modelů je ve výstupu z návrhového systému, ať již pro potřeby prezentace, které se vždy zákazníkovi velmi líbí, nebo pro účely další výroby plastových či plechových dílů. Kvalitní objemové modely znamenají velké úspory času hlavně pro strojaře.

Výstupní data pro MCAD konstruktéra ve formě 2D výkresu desky v DWG či DXF souboru nejsou tím nejvhodnějším řešením. Mechanik si poté musí převést zadání do prostorových modelů, aby mohl vyrobit plasty k navrhované DPS. Proto je vhodné dodávat konstruktérům objemové modely. Velkou výhodu mají 3D modely u malých moderních desek, kde se velmi bojuje s místem. Občas se například stane, že při pohledu shora člověk při routování „objíždí“ spojem součástku, která je z druhé strany. Nebo naopak pokládá součástky jen vedle sebe a tím plýtvá místem na desce. Tyto problémy se ukáží až při výrobě prototypové série a musí se následně opravit.

Pokud máte kvalitní 3D modely, můžete součástky umístit podstatně blíže k sobě a tím šetřit místo. Výborné je použití objemového modelu pro definování okrajů součástky, kdy nemusíte kreslit vnější obrys, který je většinou jen obdélník, ale použijete přímo prostorový model se všemi zářezy a výčnělky. Sam zřejmě musíte brát v úvahu osazovací okolí součástek (např. pro BGA pouzdra atp.).

Příkladem použití 3D modelů součástek jsou další čtyři součástky umístěné mezi piny pouzdra DPAK (obr. 3) nebo součástky pod SIM kartou v konektoru (obr. 4). Při umisťování těchto součástek ve 2D byste museli kontrolovat výšky všech součástek pod kartou. S 3D modely je to velmi snadné a navíc díky možnosti nastavení průhlednosti modelů je možné vidět i skrze model.

Obr. 3 Pouzdro DPAK a 4 součástky mezi piny

Obr. 4 Součástky pod SIM kartou

Jednoduché modely (obr. 5) lze vytvářet přímo v ECAD programech, pro vytvoření kvalitních modelů (obr. 6) je třeba pořídit si MCAD. Tvorba jednoduchých modelů je rychlá, snadná, levná, ale nepřesná. Naopak tvorba přesných modelů je pomalá, náročná a drahá, avšak přesná. Standardem ve formátu 3D modelů jsou dnes STEP soubory. Ty zvládnou vesměs všechny moderní ECAD a MCAD programy.

Obr. 5 Elementární 3D model diody

Obr. 6 Kvalitní 3D model SD/SIM konektoru

Elementární modely v ECADech se vytváří při tvorbě součástky v knihovně nakreslením hrubého obrysu součástky a zadáním její výšky. Program si z těchto údajů sám vytvoří jednoduchý model vytažením obrysu. Jinou možností vytvoření modelu je použití předdefinovaných objektů, u kterých se definují rozměry a vzájemné polohy dle potřeby.

V České republice je velmi oblíbený program Eagle. Ten sice přímo 3D zobrazení nepodporuje, ale s pomocí přídavných programů a renderování je možné získat prostorový náhled na plošný spoj. Postačí si stáhnout program Eagle 3D, který obsahuje knihovny prostorových objektů a pro renderování vhodný program POV-Ray. Pokud si budete chtít vytvářet další modely součástek, zjistíte, že je tato činnost velmi náročná a vytvoření jednoduchého modelu zabere spoustu času. Tvorba jednoduchého pouzdra SO8 pro Eagle mi zabrala dvě hodiny (v programu SolidWorks 10 minut s podstatně lepším výsledkem). Kvůli renderování v POV-RAy je třeba vždy přednastavit pohled kamery a vykreslit obrázek off-line. Toto off-line zobrazení je vhodné pro účely prezentace, ale pro praktický návrh desky téměř nevyužitelné.

Kvalitnější ECAD programy, jako např. CR-5000 od firmy Zuken a jeho součást Board Modeler nabízí elegantní tvorbu 3D modelů s pomocí výběru z knihovny přednastavených objektů (např. typu a počtu pinů konektoru). Tato nabídka je bohužel omezena jak počtem komponent v knihovně, tak jejich nastavením.

Firmy Cadence (OrCAD a Allegro – 3D Viewer) a Mentor Graphics nabízí nástavby pro on-line zobrazení v prostoru, ve kterých je např. možné detekovat kolize prvků, což práci velmi usnadní (obr. 7). Modely součástek jsou však většinou jednoduché a jednobarevné, což zcela postačuje pro návrh desky, ale nedostačuje pro prezentační účely. Trojdimenzionální zobrazení je sice online, umožňuje pohled natáčet i přibližovat, ale neumožňuje součástky posouvat, měřit atd. Špičkou v používání 3D objektů je nyní Altium Designer. Ten jediný zatím využívá prostoru naplno, kdy ve třech osách můžete součástky posouvat, odměřovat vzdálenosti, kontrolovat kolize atd.

Obr. 7 Detekce kolize dvou objektů označena zelenou barvou

Cena kvalitních MCAD programů, jako jsou Autodesk Inventor, Solidworks, SolidEdge, Rhino, SpaceClaim a další se pohybuje nad sto tisíc korun, což je poměrně hodně. Tyto programy však slouží k práci převážně mechanickým konstruktérům. Pokud ale máte štěstí a pracujete ve firmě, kde je zakoupen MCAD, máte podstatně zjednodušenou cestu k tvorbě kvalitních 3D modelů. Máte-li navíc ve firmě kolegu, který je ochoten vám modely vytvářet, máte vyhráno. Řadu programů lze také získat jako demo či studentskou verzi.

Prakticky jsem vyzkoušel návrh 3D modelů v patnácti MCAD programech. Ty jsem potom exportoval do STEP formátu a následně importoval do ECAD programů. Nejlépe se mi pracovalo v programech Solidworks a Inventor, čímž ale netvrdím, že jsou nejlepší. Tyto dva programy jsou všeobecně velmi používány a práce v nich mi připadá relativně intuitivní a snadná. Existují i další velmi kvalitní programy, jako jsou NX od Siemensu, Form.Z, HiCAD, Pro/Engi‑ neer (Creo Elements/Pro), CATIA atp., které umožňují vytvářet prostorové modely pro ECAD programy. Ty jsou ale docela náročné na ovládání a vyžadují delší dobu k naučení.

Jinou variantou jsou levné či neplacené MCAD programy. Například Vari‑ CAD, Transmagic, Cobalt či FreeCAD. Pokud jste ale někdy pracovali v kvalitním MCADu, potom tyto programy budou pro vás příliš krkolomné. I když v nich lze vytvořit kvalitní 3D model, vyžaduje to podstatně více práce. Nakonec bych se rád zmínil o programu SketchUp, který je skvělý pro rychlé vytvoření modelů. Ten bohužel neumí modely exportovat do STEP souboru a dle vyjádření firmy Google ani umět nebude. Zkoušel jsem i několik konvertorů ze SketchUp do STEP, ale žádný z nich nefungoval bezchybně.

Další možností, jak získat prostorové modely součástek, je stažení z internetu. Webových portálů je několik a proč dělat něco, co již někdo vytvořil? Nejznámější portál s modely je 3D ContentCentral (viz odkaz níže). Tento portál byl původně určen pro MCAD, časem se zde začaly objevovat elektronické součástky a dnes, jak je uvedeno na stránkách, obsahuje miliony modelů. Modely jsou většinou přímo od výrobců a tak je zajištěna jejich velká přesnost.

Existuje spousta dalších webů, kde můžete modely stáhnout. Např. TracePartOnline, 3DCADPortal, 3DCADBrowser, CADForum atd. Tam je možné najít nejen elektronické součástky, ale velké množství mechanických prvků (šrouby, plechové a plastové díly atp.). Využít můžete také online obchody se součástkami, například DigiKey či RS, bohužel nejsou modely u všech součástek. Ideální je, pokud jsou modely přímo na stránkách výrobce spolu s datovými údaji. Nejkrásnější modely lze najít na The3D‑ Studio, nicméně budete muset za modely zaplatit. Zkušenost je ale taková, že většinou naleznu 30 % hledaných součástek na 3D ContentCentral a zbývající si musím nakreslit.

Výhody prostorových modelů součástek jsou evidentní a práci při návrhu desky velmi usnadní. Nutné je věnovat návrhu čas a pečlivost, což se v konečném důsledku vyplatí. Protože se ve firmě používá jen určitý počet součástek, počáteční časová náročnost postupně klesá s tím, jak se zvětšuje počet již vytvořených modelů. Propojení mezi MCAD a ECAD programy bude stále větší, což souvisí i se zvyšujícím se důrazem na DFM (Design For Manufacturing), který klade důraz na řešení problémů s výrobou desky již při jejím návrhu. Na ukázku viz obr. 8 – Zobrazení DPS s mechanickými díly, přídavnou DPS a baterií v systému Altium.

Obr. 8 Sestava přímo v návrhovém systému

Na úplný závěr je vhodné připomenout, že se nic nemá přehánět. U některých lidí může několikahodinové modelování ve virtuálním prostoru vyvolávat bolesti hlavy a závratě, stejně jako při sledování 3D filmů. Je tedy vhodné střídat modelování na počítači i s jinou činností.