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:
- Для предприятий, желающих сохранить в секрете конструкционные и технологические решения при разработке и прототипировании изделий.
- Для технопарков и университетов, которые занимаются научно-исследовательской деятельностью.
- Для предприятий, желающих ускорить процесс прототипирования и сделать его более эффективным для получения продуктов, имеющих серьезные конкурентные преимущества на рынке.
- Для разработчиков различных нестандартных микромеханических изделий с электрической схемой.
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:
- удержание ноу-хау при изготовлении комплектующих по кооперации;
- доработка электрических схем изделий.
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.
Заключение
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.