Выпуск #2/2013
И.Волков
Технология 3D-MID. Новые возможности прототипирования изделий
Технология 3D-MID. Новые возможности прототипирования изделий
Просмотры: 2155
Технология изготовления трехмерных схем 3D-MID открывает дополнительные возможности для конструкторов, предлагая новые и улучшая уже существующие потребительские свойства электронных приборов. Использование этой технологии вкупе с трехмерной печатью позволяет быстро и экономично выполнять прототипирование деталей для современных электронных устройств.
В течение многих лет на рынке электронных и мехатронных изделий доминирует тенденция уменьшения их размеров и совмещения в одном изделии нескольких функций. Чтобы сохранить свои позиции на рынке, производители телекоммуникационных устройств должны выпускать новую продукцию, отличающуюся от продукции конкурентов, за все более короткие сроки, что можно осуществить с помощью технологии 3D-MID (рис.1). В некоторых случаях она позволяет значительно упрощать конструкцию изделия. Например, для прибора, показанного на рис.2, очень важно взаимное ортогональное расположение датчиков, а реализация этой задачи требует отдельной процедуры при сборке. Форма изготовленного по новой технологии основания прибора автоматически задает требуемое положение сенсоров, тем самым сокращая и упрощая сборку и настройку прибора, а также уменьшая его габариты.
Сегодня технология 3D-MID применяется в основном при производстве антенн для смартфонов и устройств связи. Однако в последнее время наблюдается рост производства антенн для планшетов и ноутбуков, а в ближайшем будущем увеличится доля этих компонентов в автомобильной и медицинской технике (рис.3). Использование технологии 3D-MID позволяет размещать антенны непосредственно на корпусе мобильного телефона. Это дает возможность свести к минимуму влияние их размеров и положения на конструкцию телефона. На одном основании можно одновременно реализовать несколько антенн с различными характеристиками (GSM 900/1800, GPS/ГЛОНАСС и Wi-Fi). На пластиковом носителе можно разместить антенны на периферии корпуса или в его середине на любой из сторон, в зависимости от частотных характеристик антенны или расположения элементов конструкции устройства.
Гибкость и свобода дизайна, которые в полной мере открываются этой технологией, позволяют легко настраивать антенны при проектировании или производстве изделия. При изготовлении опытных экземпляров линейные размеры антенны, ее положение, геометрия, частотные характеристики, диаграмма направленности и т. п. могут быть легко изменены, что значительно сокращает сроки перехода от прототипа к действующему образцу. Около 40% высокотехнологичных смартфонов, присутствующих сейчас на мировом рынке, имеют, по крайней мере, один компонент, изготовленный по технологии 3D-MID.
Прямое лазерное структурирование
Технология трехмерных схем на пластиках дает возможность интегрировать электронные схемы и электронные компоненты непосредственно в объемные пластмассовые детали. Можно легко установить микросхемы и дискретные элементы на корпус, разместить на нем антенны и подключить их к платам внутри корпуса, уменьшив тем самым габариты устройства и сохранив и даже улучшив его функциональность. Интеграция нескольких функций также уменьшает общее количество компонентов устройства, устраняет целый ряд технологических операций и сокращает общие затраты. В итоге получаются компоненты и изделия высшего качества с повторяемыми характеристиками.
Один из реализуемых способов производства 3D-MID-компонентов – прямое лазерное структурирование (LDS), разработанное и запатентованное компанией LPKF Laser & Electronics AG (Германия). Эта технология обеспечивает как технические, так и экономические преимущества интеграции компонентов и схем непосредственно на поверхностях пластиковых деталей. В качестве исходного материала для LDS используется легированный металл-полимерной добавкой термопластичный полимер. Лазерный луч гравирует на поверхности полимера дорожку с точными размерами и шероховатой поверхностью. В результате гравировки на поверхности пластика остаются металлические частицы, которые становятся центрами кристаллизации для дальнейших химических процессов осаждения металлов. Традиционно для этих процессов используются медь, никель и золото.
Материалы для LDS
Главное условие выбора полимера – равномерное включение оксида металла по всему объему пластика с достаточной для лазерной активации концентрацией. Большинство мировых производителей пластмасс предлагают легированные металлом термопластики, российские же производители пока не знакомы с этой технологией. Спектр доступных и применяемых полимеров достаточно широк – от аморфных до частично кристаллических, обладающих стабильностью геометрии изделий при высоких температурах. Таким образом, можно подобрать материал, отвечающий практически любым требованиям разработчика, включая широкий диапазон рабочих температур и обеспечивающий бессвинцовые технологии прибора. Изначально легирующие добавки придавали пластику черный цвет, но сегодня фирмы SABIC (Саудовская Аравия) и Mitsubishi (Япония) предлагают LDS-материалы различных цветов, которые могут быть адаптированы практически к любым требованиям клиента (рис.4).
Прототипирование с использованием LDS
Между макетированием и серийным производством существует несколько этапов прототипирования. Изначально создание прототипов для единичного или мелкосерийного производства было либо вообще невозможно, либо требовало больших затрат. В наши дни детали создают непосредственно из САПР с помощью 3D-принтеров, которые формируют их слой за слоем без привлечения дополнительных инструментов обработки. Современные 3D-принтеры, используемые для прототипирования, позволяют создавать детали методами осаждения из расплава, селективного лазерного спекания и стереолитографии. Выбор пластиков для различных технологических процессов становится все более широким. Разработчики имеют возможность создавать MID-прототипы, характеристики которых можно многократно оптимизировать.
Изготовленный методом 3D-печати пластиковый прототип покрывается специальной краской, которая содержит активируемые лазером добавки. Применение такой краски позволяет использовать для технологии MID практически любой пластик. Сегодня окраска выполняется в две стадии – нанесение грунтовки и отвердителя, но в ближайшем будущем однокомпонентная краска будет распыляться из обычного баллончика. На практике нужная для LDS-процесса толщина слоя в 30–40 мкм достигается нанесением краски в два-три слоя. Окрашенная поверхность позволяет полноценно проводить все дальнейшие операции LDS-технологии – адгезия проводников к основанию после металлизации будет практически такой же, как и у обычного LDS-пластика. После высыхания покрытия выполняется лазерная гравировка проводников на поверхности детали и химическое осаждение металлов. В результате получается рисунок проводников с сохранением и обеспечением точности линейных размеров (рис.5), и деталь можно использовать для сборки и испытаний изделия. Изготовленный таким образом прототип наиболее эффективно и наглядно связывает конструирование и серийное изготовление изделия. Для изделий любой серийности прототипирование становится легким, быстрым и экономичным.
* * *
Использование узлов и деталей, изготовленных по технологии 3D-MID, улучшает массогабаритные характеристики электронных изделий и упрощает их конструкцию. Пока рано говорить о приходе этой технологии во все области электроники, но опыт зарубежных коллег показывает, что потенциальный технологический прорыв здесь уже произошел. На западе эта технология еще молода, и российские производители имеют все шансы использовать ее наравне с остальным миром и не быть в роли догоняющих. ●
Сегодня технология 3D-MID применяется в основном при производстве антенн для смартфонов и устройств связи. Однако в последнее время наблюдается рост производства антенн для планшетов и ноутбуков, а в ближайшем будущем увеличится доля этих компонентов в автомобильной и медицинской технике (рис.3). Использование технологии 3D-MID позволяет размещать антенны непосредственно на корпусе мобильного телефона. Это дает возможность свести к минимуму влияние их размеров и положения на конструкцию телефона. На одном основании можно одновременно реализовать несколько антенн с различными характеристиками (GSM 900/1800, GPS/ГЛОНАСС и Wi-Fi). На пластиковом носителе можно разместить антенны на периферии корпуса или в его середине на любой из сторон, в зависимости от частотных характеристик антенны или расположения элементов конструкции устройства.
Гибкость и свобода дизайна, которые в полной мере открываются этой технологией, позволяют легко настраивать антенны при проектировании или производстве изделия. При изготовлении опытных экземпляров линейные размеры антенны, ее положение, геометрия, частотные характеристики, диаграмма направленности и т. п. могут быть легко изменены, что значительно сокращает сроки перехода от прототипа к действующему образцу. Около 40% высокотехнологичных смартфонов, присутствующих сейчас на мировом рынке, имеют, по крайней мере, один компонент, изготовленный по технологии 3D-MID.
Прямое лазерное структурирование
Технология трехмерных схем на пластиках дает возможность интегрировать электронные схемы и электронные компоненты непосредственно в объемные пластмассовые детали. Можно легко установить микросхемы и дискретные элементы на корпус, разместить на нем антенны и подключить их к платам внутри корпуса, уменьшив тем самым габариты устройства и сохранив и даже улучшив его функциональность. Интеграция нескольких функций также уменьшает общее количество компонентов устройства, устраняет целый ряд технологических операций и сокращает общие затраты. В итоге получаются компоненты и изделия высшего качества с повторяемыми характеристиками.
Один из реализуемых способов производства 3D-MID-компонентов – прямое лазерное структурирование (LDS), разработанное и запатентованное компанией LPKF Laser & Electronics AG (Германия). Эта технология обеспечивает как технические, так и экономические преимущества интеграции компонентов и схем непосредственно на поверхностях пластиковых деталей. В качестве исходного материала для LDS используется легированный металл-полимерной добавкой термопластичный полимер. Лазерный луч гравирует на поверхности полимера дорожку с точными размерами и шероховатой поверхностью. В результате гравировки на поверхности пластика остаются металлические частицы, которые становятся центрами кристаллизации для дальнейших химических процессов осаждения металлов. Традиционно для этих процессов используются медь, никель и золото.
Материалы для LDS
Главное условие выбора полимера – равномерное включение оксида металла по всему объему пластика с достаточной для лазерной активации концентрацией. Большинство мировых производителей пластмасс предлагают легированные металлом термопластики, российские же производители пока не знакомы с этой технологией. Спектр доступных и применяемых полимеров достаточно широк – от аморфных до частично кристаллических, обладающих стабильностью геометрии изделий при высоких температурах. Таким образом, можно подобрать материал, отвечающий практически любым требованиям разработчика, включая широкий диапазон рабочих температур и обеспечивающий бессвинцовые технологии прибора. Изначально легирующие добавки придавали пластику черный цвет, но сегодня фирмы SABIC (Саудовская Аравия) и Mitsubishi (Япония) предлагают LDS-материалы различных цветов, которые могут быть адаптированы практически к любым требованиям клиента (рис.4).
Прототипирование с использованием LDS
Между макетированием и серийным производством существует несколько этапов прототипирования. Изначально создание прототипов для единичного или мелкосерийного производства было либо вообще невозможно, либо требовало больших затрат. В наши дни детали создают непосредственно из САПР с помощью 3D-принтеров, которые формируют их слой за слоем без привлечения дополнительных инструментов обработки. Современные 3D-принтеры, используемые для прототипирования, позволяют создавать детали методами осаждения из расплава, селективного лазерного спекания и стереолитографии. Выбор пластиков для различных технологических процессов становится все более широким. Разработчики имеют возможность создавать MID-прототипы, характеристики которых можно многократно оптимизировать.
Изготовленный методом 3D-печати пластиковый прототип покрывается специальной краской, которая содержит активируемые лазером добавки. Применение такой краски позволяет использовать для технологии MID практически любой пластик. Сегодня окраска выполняется в две стадии – нанесение грунтовки и отвердителя, но в ближайшем будущем однокомпонентная краска будет распыляться из обычного баллончика. На практике нужная для LDS-процесса толщина слоя в 30–40 мкм достигается нанесением краски в два-три слоя. Окрашенная поверхность позволяет полноценно проводить все дальнейшие операции LDS-технологии – адгезия проводников к основанию после металлизации будет практически такой же, как и у обычного LDS-пластика. После высыхания покрытия выполняется лазерная гравировка проводников на поверхности детали и химическое осаждение металлов. В результате получается рисунок проводников с сохранением и обеспечением точности линейных размеров (рис.5), и деталь можно использовать для сборки и испытаний изделия. Изготовленный таким образом прототип наиболее эффективно и наглядно связывает конструирование и серийное изготовление изделия. Для изделий любой серийности прототипирование становится легким, быстрым и экономичным.
* * *
Использование узлов и деталей, изготовленных по технологии 3D-MID, улучшает массогабаритные характеристики электронных изделий и упрощает их конструкцию. Пока рано говорить о приходе этой технологии во все области электроники, но опыт зарубежных коллег показывает, что потенциальный технологический прорыв здесь уже произошел. На западе эта технология еще молода, и российские производители имеют все шансы использовать ее наравне с остальным миром и не быть в роли догоняющих. ●
Отзывы читателей
