Bei der Entwicklung eines Geräts muss die Elektronik auf dem PCB perfekt auf die umgebenden Komponenten abgestimmt sein. Dies gilt nicht nur für die Funktionalität der Elektronik, sondern auch in Bezug auf die Geometrie. So muss beispielsweise das fertig bestückte PCB in das Gehäuse passen, wobei Bedien- und Verbindungselemente exakt an den entsprechenden Aussparungen des Gehäuses platziert werden müssen. Gerade die immer weiter fortschreitende Miniaturisierung der Geräte und das teilweise sehr komplexe Design machen diese Aufgabe immer schwieriger.
Prototypen in der Elektronikentwicklung
In den meisten Fällen stellt man vor der Serienfertigung einen Prototypen der Elektronik her, der zum Test der Funktionen, für EMV-Tests und vieles andere mehr verwendet wird. Solche Prototypen werden dabei häufig von spezialisierten Herstellern im Pool-Verfahren produziert, bei dem verschiedene Layouts auf einem Nutzen hergestellt und die einzelnen PCBs dann getrennt werden. Anschließend wird die Leiterplatte bestückt, um die Elektronik zu testen. Das Pool-Verfahren macht die Herstellung der PCBs zwar vergleichsweise einfach und günstig, trotzdem ist ein nicht unbeträchtlicher Zeit- und Kostenaufwand notwendig. Für den rein mechanischen Test - der so genannten Kollisionskontrolle - des Prototyps ist aber gar kein funktionierender "echter" Prototyp nötig. Stellt man bei der Kollisionskontrolle fest, dass das PCB nicht in das Gehäuse passt, muss man gegebenenfalls die Elektronik nochmals überarbeiten. Folglich steigen die Kosten und man verliert Zeit.
Lösung aus der CAD-Welt
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 lassen sich zahlreiche Funktionen realisieren - 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 Gegensatz zur mechanischen Konstruktion sind Layout-Programme für die Erstellung von PCBs überwiegend zweidimensional angelegt, da es hierbei ja auch darum geht, eine zweidimensionale Struktur zu entwerfen. Die dritte Dimension kommt erst durch das Bestücken des PCB mit den Komponenten zustande. In der Layoutsoftware ist aber häufig nur der so genannte 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 man extra in der CAD-Software erstellen. Ideal ist eine Bibliothek mit den genauen Abmessungen sämtlicher Komponenten - doch diese für alle verwendeten Komponenten zu erstellen, erfordert auch viel Zeit und Geduld. Dazu kommt die Pflege einer solchen Bauteile-Datenbank.
Tool hilft auf dem Weg zum 3D-Modell
In den gängigen Layout-Programmen ist das Intermediate Data Format (IDF) zur Beschreibung bestückter Leiterplatten vorgesehen. Dieses Austauschformat enthält neben den Abmessungen des PCBs 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 wird. Mit dem neuen Tool IDF-to-3D 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 das PCB dann virtuell bestückt werden. Ein großer Teil der Komponenten wird dabei automatisch erkannt und richtig auf dem PCB platziert. Die nicht erkannten Bauteile, die in der Ansicht rot markiert werden, kann der Benutzer sehr einfach zuweisen und platzieren. Dazu ist eine umfangreiche Bauteilbibliothek integriert, in der man schnell das passende Bauteil findet. Sollte ein Bauteil 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 kann von den meisten weitergehenden Programmen, die mit dreidimensionalen Daten arbeiten, gelesen werden. Besonders interessant ist die Möglichkeit, die generierten Daten für einen 3D-Druck zu verwenden. Mit modernen 3D-Prototyping-Maschinen lassen sich sehr präzise Modelle aus Polyamid im so genannten Lasersinter-Verfahren herstellen. Mit minimalen Schichtstärken von 0,06 mm (horizontal) bzw. 0,4 mm (vertikal) lassen sich auch sehr filigrane Strukturen produzieren. Ein solches gedrucktes 3D-Modell kann im Prototypen-Stadium verwendet werden, um beispielsweise zu testen, ob das bestückte PCB 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 mit dem beliebten PCB-Layout-Programm Eagle von Cadsoft, das standardmäßig keinen IDF-Export unterstützt, lässt sich die Funktionalität nutzen. 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.
Fazit
Mit dem modernen Tool IDF-to-3D lassen sich aus einem PCB-Layout eines beliebigen Layout-Programms virtuelle 3D-Modelle erzeugen, die im Prototypenstadium zur Kollisionskontrolle eingesetzt werden können. Die Daten lassen sich außerdem dazu verwenden, um mit 3D-Prototyping-Maschinen Polyamidmodelle herszustellen. Dadurch lassen sich mögliche Probleme bereits in einem sehr frühen Stadium erkennen, was zu niedrigeren Kosten und kürzeren Entwicklungszeiten beiträgt.
