Presja czasu to stały element pracy projektanta elektroniki. Sam projekt płytki można przygotować we własnym zakresie, ale wykonanie prototypu często zleca się zewnętrznemu producentowi. Oczekiwanie na zmontowaną płytkę PCB trwa wtedy od kilku dni do kilku tygodni, a nawet drobny błąd oznacza kolejną serię i ponowne oczekiwanie. Drukarka PCB pozwala skrócić tę pętlę projektową, ponieważ umożliwia wykonanie i sprawdzenie prototypu na miejscu.
1、Drukarka PCB
Choć współczesna elektronika jest młodą dziedziną, stosowane w niej metody wytwarzania wywodzą się ze znacznie starszych technik. Grawerowanie, czyli wykonywanie wzoru przez nacinanie rowków w twardej, płaskiej powierzchni, ma historię sięgającą około 500.000 lat. Nie chodzi tu oczywiście o wynalezienie krzemu, który powstał miliardy lat wcześniej, lecz o samą zasadę precyzyjnego odwzorowywania kształtu.
Płytki drukowane można wykonywać metodami mechanicznymi, chemicznymi lub optycznymi. Podobna potrzeba precyzyjnego odwzorowania wzoru występuje przy produkcji układów scalonych na płytkach krzemowych.
Druk ma ponad 2000 lat, a z czasem stał się również ważną częścią przemysłu elektronicznego. Współczesna produkcja płytek drukowanych wykorzystuje wiele procesów opartych na nanoszeniu, maskowaniu i odwzorowywaniu kolejnych warstw.
Zapotrzebowanie na szybkie prototypowanie stale rośnie. Zarówno startupy, jak i dojrzałe firmy chcą szybciej testować pomysły i wprowadzać poprawki jeszcze przed zamówieniem serii produkcyjnej.
♦ Rozwijaj swoje prototypy
W tradycyjnym modelu wykonanie prototypu PCB zleca się producentowi. Drukarki PCB umożliwiają natomiast przygotowanie części prototypów we własnym laboratorium, bez klasycznego wytrawiania. Niektóre drukarki PCB nanoszą na twarde lub elastyczne podłoże specjalny atrament przewodzący, tworząc w ten sposób ścieżki obwodu.
Rozwijane są również urządzenia drukujące nie tylko połączenia, lecz całe proste układy elektroniczne. Jednym z kierunków badań jest nanoszenie czterobitowego mikrokontrolera bezpośrednio na karton, co mogłoby znaleźć zastosowanie w inteligentnych opakowaniach i odzieży.
Czterobitowy procesor może dziś wydawać się skromny, ale w 1971 roku stanowił ważną innowację. Właśnie wtedy Intel wprowadził słynny czterobitowy procesor 4004, a podobnej klasy rozwiązania wykorzystywano również w systemach lotniczych.
Kolor PCB
2、PCB Printer--PCB Drukarka 3D
Drukarki 3D PCB wykorzystują atramenty dielektryczne i przewodzące, aby budować obwód warstwa po warstwie. Niektóre urządzenia potrafią również nanosić pastę lutowniczą, a nawet umieszczać komponenty. Dzięki temu mogą pełnić funkcję zintegrowanego stanowiska do szybkiego prototypowania na miejscu.
Rozwój druku 3D otworzył nowe możliwości zarówno dla inżynierów, jak i hobbystów. Model przygotowany w programie do projektowania przestrzennego można szybko wytworzyć we własnym warsztacie, bez wykonywania kosztownego oprzyrządowania.
Drukowanie elektroniki jest jednak trudniejsze niż wytwarzanie zwykłych elementów z tworzywa. Jeszcze niedawno prototyp PCB wykonywano ręcznie z użyciem lutownicy, zamawiano krótką serię produkcyjną albo przenoszono wzór z wydruku laserowego i samodzielnie wytrawiano miedź.
Drukarka PCB - Twórz modele w swoim domu
Za pomocą zwykłej drukarki 3D można w domu wytwarzać modele zaprojektowane w prostym programie CAD.
Drukowana elektronika nadal pozostaje jednak technologią specjalistyczną. Zajmuje się nią znacznie mniej producentów niż klasycznym drukiem 3D z tworzyw sztucznych.
Jednym ze sposobów rozszerzenia możliwości zwykłej drukarki 3D jest montaż dobrej jakości lasera diodowego w miejscu ekstrudera albo obok niego. Taka modyfikacja pozwala wykorzystać mechanikę urządzenia do obróbki materiału światłem.
Drukarka PCB - Lasery diodowe
Lasery diodowe są małe i kompaktowe, a ich moc wyjściowa jest zwykle niższa niż w popularnych laserach CO2. Do naświetlania materiału światłoczułego na PCB taka moc może jednak okazać się wystarczająca.
Druk 3D od dawna służy do zastosowań zawodowych i hobbystycznych, lecz jego wykorzystanie przy bezpośrednim wytwarzaniu elektroniki, w tym płytek PCB, zaczęło rozwijać się na większą skalę stosunkowo niedawno.
Na kolejnych etapach rozwoju produktu inżynierowie potrzebują prototypowych płytek do testów. Klasyczna produkcja subtraktywna jest procesem wieloetapowym, zużywa materiały i wymaga specjalistycznego wyposażenia, dlatego często zleca się ją na zewnątrz.
W przypadku skomplikowanych prototypów oczekiwanie może trwać kilka tygodni, co trudno pogodzić z ideą szybkiego prototypowania.
Jeżeli pierwsza wersja ma wady, dochodzą kolejne dni lub tygodnie potrzebne na przeprojektowanie, produkcję i ponowne testy. Opóźnia to przygotowanie konstrukcji do seryjnego wytwarzania i zwiększa ryzyko biznesowe.
Drukarka PCB - Jak drukarki PCB 3D mogą pomóc?
Drukarki 3D PCB łączą precyzyjny druk atramentowy, specjalistyczne oprogramowanie i zaawansowaną nanochemię. Dzięki temu czas wykonania nawet złożonego prototypu może skrócić się z kilku tygodni do kilku godzin.
Projektant może wytworzyć fragment płytki, sprawdzić wybrane rozwiązanie i od razu poprawić projekt. Kolejną wersję prototypu da się więc zbudować i przetestować jeszcze tego samego dnia.
Technologia pozwala również ograniczyć koszty eksperymentów oraz sprawdzać geometrie, których wykonanie klasycznymi metodami byłoby trudne, czasochłonne albo nieopłacalne.
Większa liczba szybkich iteracji sprzyja poprawie jakości produktu końcowego, a zarazem otwiera drogę do nowych form drukowanej elektroniki.
Drukarki 3D PCB mogą zapewniać wysoką rozdzielczość, szybkość i przewodność. Krótszy czas wykonania prototypu daje projektantom więcej swobody: mogą częściej porównywać warianty, eksperymentować z geometrią i wcześniej wykrywać błędy.
Kolor PCB
3、PCB Drukarka laserowa
Własną płytkę PCB można wykonać w domu na kilka sposobów. Jednym z trwalszych rozwiązań jest metoda fotorezystu: laminat pokryty warstwą światłoczułą naświetla się przez maskę promieniowaniem UV.
Po wywołaniu na powierzchni pozostaje wzór zabezpieczający wybrane obszary, a odsłonięta miedź jest wytrawiana. Laserowa drukarka PCB odwzorowuje projekt dostarczony w postaci mapy bitowej, działając pod tym względem podobnie do drukarki laserowej nanoszącej obraz na papier.
Wiązka skanuje całą powierzchnię płytki linia po linii, włączając się i wyłączając zgodnie z wzorem obrazu. Aby uzyskać dobrą rozdzielczość bez nadmiernego wydłużania procesu, potrzebne są szybki ruch głowicy, krótki czas przełączania lasera i duża przepływność danych sterujących.
Drukarka PCB - Prosty sprzęt
Mechanika laserowej drukarki PCB może być stosunkowo prosta. Jedna krótka oś obrotowa prowadzi laser umieszczony blisko końca ramienia, a druga, precyzyjna oś liniowa przesuwa układ nad płytką linia po linii. Obie osie są zwykle napędzane silnikami krokowymi.
Sterowanie można oprzeć na Raspberry Pi jako głównej jednostce obliczeniowej oraz kilku obwodach pomocniczych. Pi odczytuje projekt PCB w postaci mapy bitowej, którą można wyeksportować z większości programów EDA.
Po wykonaniu obliczeń kinematycznych Raspberry Pi przygotowuje przebieg sterujący laserem i wysyła go przez interfejs SPI. Jeden pakiet danych SPI może odpowiadać pojedynczemu przejściu lasera nad płytką. Sterownik przekształca pakiet w strumień bitów za pomocą standardowego przerzutnika typu D, a otrzymany sygnał steruje układem zasilającym laser.
W takich konstrukcjach stosuje się między innymi diody laserowe przeznaczone do nagrywarek. Przykładem jest Sony SLD3234 o mocy 125mW, używana w napędach Blu-Ray. Prototypowa drukarka może osiągać oczekiwaną rozdzielczość, choć na wydruku bywają widoczne drobne falowania, które zwykle nie przekreślają jego użyteczności.
♦PCB Printer-- Wady
Największą wadą tego rodzaju drukarek jest mała szybkość. Przetworzenie odcinka 1 cm może trwać około dziesięciu minut, co nawet dla niewielkiego obwodu oznacza mniej więcej trzydzieści minut pracy. Głównym ograniczeniem prędkości jest bezwładność ruchomego ramienia.
Kolor PCB
4、PCB Printer--PCB Stencil Printer
Drukowanie przez szablon jest powszechnie stosowanym etapem montażu elektroniki. Polega na nanoszeniu pasty lutowniczej na pola lutownicze płytki drukowanej, określanej także skrótem PWB. Po wydrukowaniu pasty na płytce umieszcza się komponenty. Proces wymaga pasty lutowniczej, szablonu oraz odpowiedniej drukarki.
Drukarka PCB - na czym polega ten proces?
Podstawowym materiałem jest pasta lutownicza złożona z drobin metalu i topnika. Jej lepkość utrzymuje elementy na miejscu przed lutowaniem, a podczas rozpływu pasta tworzy połączenia elektryczne i mechaniczne.
Prawidłowe złącze powstaje wtedy, gdy stopiona pasta rozpłynie się w kontrolowany sposób i dobrze zwilży zarówno pole lutownicze, jak i końcówkę komponentu.
Większa szybkość drukarki może zwiększyć wydajność, ale o rzeczywistym czasie cyklu decyduje wiele czynników. Należą do nich między innymi oddzielanie płytki, częstotliwość czyszczenia szablonu oraz sama prędkość drukowania.
Przepustowość drukarki szablonowej powinna odpowiadać możliwościom całej linii. Szybsza drukarka lub układarka elementów nie przyniesie korzyści, jeżeli tempo produkcji ogranicza piec rozpływowy. Profil temperatury i czasu w piecu jest zwykle stały i znacznie wolniejszy od pracy pozostałych urządzeń.
Najważniejsze jest więc zrównoważenie oraz prawidłowa konfiguracja całej linii. Dopiero wtedy szybka drukarka PCB pozwala w pełni wykorzystać swój potencjał w produkcji wielkoseryjnej.
Kolor PCB
5、PCB Printer Machine
Budowa sprzętu elektronicznego stawia projektanta przed praktycznym wyborem: wykonać płytkę samodzielnie z użyciem niebezpiecznych chemikaliów albo zamówić ją w profesjonalnym zakładzie i czekać kilka tygodni na dostawę.
Drukarka PCB - Korzyści z maszyn drukujących PCB
Maszyna do drukowania PCB umożliwia wykonanie prototypowej płytki bezpośrednio na stole warsztatowym. Do urządzenia trafiają pliki Gerber, a efektem procesu jest gotowy obwód na podłożu FR4.
Urządzenie nanosi atrament przewodzący tworzący ścieżki oraz atrament izolacyjny, który rozdziela połączenia w kolejnych warstwach.
Tak wykonane płytki nie zastępują PCB produkowanych seryjnie. Są przede wszystkim narzędziem prototypowym, które pozwala szybciej sprawdzać pomysły i uniknąć poświęcania pieniędzy, materiałów oraz dwóch do trzech tygodni na każdą wczesną iterację.
Kolor PCB
6、Podsumowanie
Drukarki PCB są dostępne w różnych rozmiarach, konfiguracjach i przedziałach cenowych. Precyzyjne urządzenia o minimalnym rozmiarze elementu około 25um mogą kosztować nawet 100.000 dolarów, podczas gdy prostsze modele zwykle mieszczą się poniżej 5 000 USD.
Opłacalność inwestycji zależy przede wszystkim od profilu firmy i liczby wykonywanych prototypów. Drukarka PCB nie zastępuje standardowych linii produkcyjnych ani montażowych, które przy dużych seriach oferują większą szybkość i niższy koszt jednostkowy.
Jeżeli firma intensywnie rozwija nowe produkty i potrzebuje krótkiego czasu wykonania kolejnych prototypów, własna drukarka PCB może być bardzo użyteczna. W sprawie doboru technologii do konkretnego projektu można skontaktować się z naszym zespołem.