3D-Modelle bestückter Leiterplatten

Für die Erstellung von Leiterplatten kommen heute in aller Regel professionelle Leiterplatten-Layoutprogramme zum Einsatz. Diese können je nach Komplexität das Layout direkt aus einem Schaltplan erzeugen und dabei eine Entflechtung der Leiterbahnen und ein automatisches Anordnen der Bauteile vornehmen. Insbesondere bei kleinen Geräten und Gehäusen sowie bei einer großen Zahl an Bedienelementen und Schnittstellen muss während der Entwicklung überprüft werden, ob alles perfekt zusammenpasst. Da Leiterplatten zweidimensionale Strukturen sind, basieren auch die Programme auf einer 2D-Darstellung. Um ein 3D-Modell der bestückten Platine zu erhalten sind zusätzliche Tools notwendig.

Prototypen in der Elektronikentwicklung

In den meisten Fällen der Elektronikentwicklung wird vor der Serienfertigung ein Prototyp der Elektronik hergestellt, der zum Test der Funktion, für EMV-Tests und vieles anderes mehr vorgesehen ist. Solche Prototypen produziert beispielsweise Beta Layout. Das mittelständische Unternehmen setzt dazu das so genannte Pool-Verfahren ein, bei dem verschiedene Layouts auf einem Nutzen hergestellt und die einzelnen Platinen dann getrennt werden. Anschließend wird die Leiterplatte bestückt, so dass ein Prototyp für die Tests zur Verfügung steht.

Das Pool-Verfahren macht die Herstellung der Leiterplatten zwar vergleichsweise einfach und günstig, trotzdem ist ein gewisser Zeit- und Kostenaufwand notwendig. Für den rein mechanischen Test des Prototyps, die so genannte Kollisionskontrolle, ist aber gar kein funktionierender ‚echter‘ Prototyp notwendig. Stellt man bei der Kollisionskontrolle fest, dass das Board nicht in das Gehäuse passt, muss gegebenenfalls die Elektronik nochmals überarbeitet werden. Folglich steigen die Kosten und man verliert Zeit.

3D-Konstruktion als Lösung

Ein Blick in die mechanische Konstruktion beispielsweise im Maschinenbau zeigt einen möglichen Lösungsweg auf, um unnötige Kosten zu vermeiden und den Entwicklungsprozess zu beschleunigen. Hier arbeiten die meisten modernen CAD-Systeme inzwischen in drei Dimensionen. Ein parametrisches 3D-Modell liegt der gesamten Konstruktion zu Grunde. Mit diesen 3D-Modellen lässt sich allerhand anstellen – unter anderem auch eine Kollisionskontrolle. In der mechanischen Konstruktion ist durch die Umstellung auf 3D-CAD die Anzahl der Modelle und Prototypen, die hergestellt werden müssen, deutlich gesunken.

Im Unterschied zur mechanischen Konstruktion sind Layout-Programme für die Erstellung von PCBs in der Regel zweidimensional angelegt, da es hierbei ja auch darum geht, eine zweidimensionale Struktur zu entwerfen. Die dritte Dimension kommt erst durch das Bestücken des Boards mit den Bauelementen zustande. In der Layoutsoftware ist aber häufig nur der Footprint der Bauteile hinterlegt – also die zweidimensionale Darstellung des Bauteils inklusive der Position der Lötpunkte. Die Erstellung eines virtuellen 3D-Modells ist in der Regel nicht vorgesehen. Der Entwickler kann dieses in einer entsprechenden CAD-Software generieren, was aber erhebliches Know-how erfordert und sehr aufwändig ist. Denn jedes einzelne Bauteil muss extra in der CAD-Software erstellt werden. Ideal ist eine Bibliothek mit den genauen Abmessungen sämtlicher Komponenten – doch diese für alle verwendeten Komponenten zu erstellen, erfordert auch viel Zeit und Geduld.

In den gängigen Layout-Programmen ist das „Intermediate Data Format“ (IDF) zur Beschreibung bestückter Leiterplatten vorgesehen. Dieses Austauschformat enthält neben den Abmessungen des Boards die Positionen und Orientierungen sämtlicher Komponenten sowie die Position von Befestigungslöchern und Ausfräsungen. Eine echte 3D-Information ist aber nicht enthalten, da die dreidimensionalen Abmessungen der meisten Komponenten nicht mit hinterlegt sind. Mit dem aktuellen Tool IDF-to-3D, das Beta Layout seinen Kunden zur Verfügung stellt, können Anwender nun dieses Problem einfach lösen. Dazu werden die IDF-Daten, die aus einem beliebigen PCB-Layout-Programm stammen können, zunächst in den IDF-Viewer eingeladen. Dort kann die Platine dann virtuell bestückt werden. Ein großer Teil der Komponenten wird dabei automatisch erkannt und richtig platziert. Die nicht erkannten Bauteile, die in der Ansicht rot markiert werden, kann der Benutzer einfach zuweisen und platzieren. Dazu bietet Beta Layout eine umfangreiche Bauteilbibliothek an. Sollte ein Bauteil einmal nicht in der Bibliothek enthalten sein, kann der Anwender eine STEP-Datei (Standard for the Exchange of Product Model Data) mit der Beschreibung des Bauteils in eine eigene Bibliothek hochladen.

Virtueller und gedruckter 3D-Prototyp

Als Ergebnis liefert die Software zunächst eine dreidimensionale PDF-Datei, die zum Betrachten des virtuellen Prototyps gedacht ist. Für die nächsten Schritte, wie beispielsweise die Kollisionskontrolle, erzeugt das Tool eine Datei im standardisierten STEP-Format. Dieses Format lässt sich von den meisten Programmen, die mit dreidimensionalen Daten arbeiten, lesen. Besonders interessant ist die Möglichkeit, die generierten Daten für einen 3D-Druck zu verwenden. Auch in diesem Bereich bietet Beta Layout seinen Kunden eine Dienstleistung an, die sich positiv auf die Entwicklungszeit und damit auf die Kosten auswirken kann. Mit einer modernen 3D-Prototyping-Maschinen vom Typ Formiga P110 von EOS lassen sich recht präzise Modelle aus Polyamid im Lasersinter-Verfahren herstellen. Mit minimalen Schichtstärken von 0,06 mm (horizontal) bzw. 0,4 mm (vertikal) entstehen auch sehr filigrane Strukturen.

Ein solches gedrucktes 3D-Modell, das direkt online auf der Website des Herstellers bestellt werden kann, wird im Prototypen-Stadium verwendet, um beispielsweise zu testen, ob die bestückte Leiterplatte ins Gehäuse passt. Diese Kollisionskontrolle kann geschehen, bevor der Funktionsprototyp hergestellt wird. Probleme, die man in einer solch frühen Phase feststellt, können helfen, hohe Kosten zu vermeiden. Gleichzeitig lässt sich der Entwicklungsprozess dadurch beschleunigen. Auch für das beliebte PCB-Layout-Programm Eagle von Cadsoft, das standardmäßig keinen IDF-Export unterstützt, bietet Beta Layout eine Lösung an. Dazu steht auf der Website www.cadsoftusa.com ein ULP (User Language Program) zum Download zur Verfügung, das eine entsprechende IDF-Datei generiert und direkt an den IDF-Viewer überträgt. Die Komponenten aus der Bauteile-Bibliothek von Eagle werden dabei automatisch den passenden 3D-Elementen zugeordnet.

(mrc)