3D modeliranje ohišij za elektroniko: od PCB do končnega izdelka

Delujoče vezje je šele polovica izdelka. Ohišje določa, kako naprava izgleda, kako se montira, ali prenese dež in prah, kako odvaja toploto in ali bo tehnik v dveh minutah zamenjal varovalko. Kljub temu se ohišje pogosto načrtuje na koncu, ko je vezje že narejeno, in takrat so kompromisi neizogibni. V tem članku opisujemo, kako 3D modeliranje ohišja vključiti v razvoj že od začetka in kako se odločiti med 3D tiskom, CNC obdelavo, standardnim ohišjem in brizganjem plastike.

Ohišje in vezje se načrtujeta skupaj

Sodobna CAD orodja (Fusion 360, SolidWorks, Onshape, FreeCAD) omogočajo uvoz 3D modela vezja neposredno iz KiCada ali Altiuma v formatu STEP. Model vključuje obris vezja, luknje za vijake in komponente z realnimi višinami. Delovni tok, ki ga uporabljamo:

1. V PCB orodju definiramo obris vezja in luknje, izvozimo STEP.
2. V CAD orodju okoli vezja zmodeliramo ohišje; položaj konektorjev, LED in gumbov prevzamemo iz modela.
3. Če je ohišje omejeno (standardna škatla, obstoječa niša v napravi), pošljemo obris in omejitve nazaj v PCB orodje kot DXF.
4. Ponovimo, dokler oba modela nista usklajena.

Ta vzajemnost je ključna: konektor, ki je 0,5 mm previsoko, pomeni novo revizijo vezja ali ohišja. Pri kombinaciji obeh v isti hiši se to razreši v uri, pri dveh ločenih izvajalcih pa v tednu.

Tolerance: kje ohišja odpovedo

Vsak proizvodni postopek ima svoje tolerance in ohišje mora delovati kljub njim:

Praktična pravila, ki jih uporabljamo:

• Reža med vezjem in ohišjem najmanj 0,5 mm na vsaki strani, pri 3D tisku 0,8 mm.
• Izrezi za konektorje naj bodo za 0,3 do 0,5 mm večji od telesa konektorja na vsako stran; pri USB-C in podobnih vtičih upoštevajte tudi vtič uporabnika, ki je širši od vtičnice.
• Luknje za vijake M3 v 3D tiskani plastiki: 2,5 mm za samovrezne vijake v plastiko, 3,2 do 3,4 mm za prehodne luknje. Za serije uporabite vgrajene medeninaste vložke (heat-set inserts).
• Stebrički za vezje (standoffs) visoki vsaj 3 mm, da spodnje komponente in spajkalni spoji ne dotikajo ohišja.
• Pri snap-fit spojih računajte na manjšo trdnost 3D tiskane plastike v smeri plasti; kavlji naj bodo orientirani tako, da se upogibajo vzdolž plasti.

Postopki izdelave: kdaj kateri

3D tisk (FDM, SLA, SLS)

Idealen za prototipe in serije do nekaj sto kosov. FDM s PETG ali ASA je robusten in cenovno ugoden, SLA daje gladko površino za predstavitve, SLS iz najlona PA12 pa je primeren za funkcionalne male serije brez podpornega materiala. Za zunanjo uporabo izberite UV obstojen material (ASA, PA12), za višje temperature PC ali PA.

Prilagoditev standardnega ohišja

Proizvajalci, kot so Hammond, Bopla, OKW, Fibox in Gainta, ponujajo tisoče ohišij z IP zaščito, DIN letev montažo ali ročno uporabo. Prilagoditev pomeni CNC rezkanje izrezov, tisk ali graviranje oznak in po potrebi notranje 3D tiskane nosilce. Za serije od 10 do 1000 kosov je to pogosto najhitrejša in najcenejša pot, vezje pa je najbolje že od začetka načrtovati na izbrano ohišje.

CNC obdelava aluminija

Za industrijske naprave, kjer je pomembna robustnost, EMC ščit ali odvajanje toplote. Aluminijasto ohišje deluje kot hladilnik; močnostne komponente se preko termične podloge (thermal pad) prislonijo na steno. Cena je višja, a pri malih serijah še vedno brez začetne investicije v orodje.

Brizganje plastike

Od približno 1000 kosov naprej postane brizganje ekonomsko smiselno. Orodje (kalup) stane od nekaj tisoč evrov za preproste dele iz aluminijastega orodja do več deset tisoč za kompleksna jeklena orodja, cena kosa pa pade na evre ali cente. Model za brizganje zahteva:

• nagibe sten (draft) od 1 do 2 stopinji za izmet iz orodja,
• enakomerno debelino sten (1,5 do 3 mm), da ne pride do posedanja (sink marks),
• rebra za togost namesto debelih sten,
• premišljene delilne ravnine in položaj dolivkov,
• izogibanje podrezom (undercuts) ali njihovo rešitev s stranskimi vložki v orodju.

Pametna pot je: prototip s 3D tiskom, pilotna serija s SLS ali litjem v silikonske kalupe (vacuum casting, do okoli 50 kosov), nato brizganje.

IP zaščita: kako jo doseči

IP koda (npr. IP54, IP65, IP67) po standardu IEC 60529 opisuje zaščito pred prahom (prva številka) in vodo (druga številka). Za elektroniko so najpogostejše:

• IP20: notranja uporaba, zaščita pred prsti.
• IP54: zaščita pred prahom in pršenjem, omare in delavnice.
• IP65 / IP66: prahotesno, zaščita pred curkom vode; zunanje naprave.
• IP67 / IP68: kratkotrajna oziroma trajna potopitev.

Konstrukcijske zahteve za IP65 in več:

• tesnilo v utoru (O-ring ali oblikovano tesnilo), z ustreznim stiskom 15 do 30 odstotkov,
• dovolj vijakov, da je pritisk na tesnilo enakomeren (razmik med vijaki največ 50 do 80 mm),
• IP konektorji (M8, M12, IP67 USB) ali kabelske uvodnice (PG, M16) namesto odprtih konektorjev,
• izenačevalni ventil (membrana Gore) pri zaprtih ohišjih, ki doživljajo temperaturne spremembe, sicer se vlaga vsesa skozi tesnila,
• pri 3D tisku FDM upoštevajte, da stene niso povsem tesne; potrebno je premazovanje ali izbira SLS/SLA in debelejše stene.

Odvajanje toplote

Vsak vat izgube je treba nekam odvesti. Razmislite v tem vrstnem redu:

1. Koliko toplote nastane (izkoristek napajalnika, izgube v gonilnikih, moč procesorja) in kakšna je najvišja dovoljena temperatura komponent.
2. Naravna konvekcija: prezračevalne odprtine spodaj in zgoraj (dimnik), zaprto plastično ohišje tipično odvede 2 do 5 W na 100 cm² površine pri 20 do 30 °C dviga.
3. Prevod v ohišje: aluminijasto ohišje s termično podlogo med močnostnimi komponentami in steno.
4. Prisilno hlajenje: ventilator, ko konvekcija ne zadošča, z zavedanjem, da ventilator omeji IP stopnjo in doda vzdrževanje.

Pomembno je tudi, kje so toplotno občutljive komponente: baterije, elektrolitski kondenzatorji in senzorji temperature ne sodijo nad regulator.

Detajli, ki jih uporabnik opazi

• Svetlobni vodniki (light pipes) za LED, ki niso ob steni ohišja.
• Gumbi z ustreznim hodom in oporo, da se vezje ne upogiba.
• Označbe: gravirane, tiskane ali s folijo; pri 3D tisku vtisnjene v model.
• Montaža: DIN letev, stenska montaža, VESA, magneti; ušesa za pritrditev so dolgotrajen vir reklamacij, če so prešibka.
• Servisiranje: dostop do varovalk, baterij in SD kartic brez orodja ali z enim vijakom.
• Zaščita pred ESD: kovinski deli ohišja povezani na maso vezja, plastično ohišje z zadostno razdaljo do vezja.

Dokumentacija za izdelavo

Za 3D tisk in CNC zadošča STEP (in STL za tisk), za brizganje potrebuje orodjar STEP model, risbo s tolerancami, materialom, barvo in kakovostjo površine (npr. VDI 3400 tekstura). Priložite tudi sestavno risbo, ki pokaže, kako vezje sedi v ohišju, in seznam standardnih delov (vijaki, vložki, tesnila).

Potrebujete pomoč?

Pri Selektroniku 3D modele ohišij izdelujemo vzporedno z vezjem, tako da izrezi, stebrički in tolerance ustrezajo od prvega prototipa naprej. Ohišja za prototipe natisnemo, za serije pa pripravimo dokumentacijo za CNC obdelavo ali brizganje in sodelujemo z izdelovalci orodij. Če imate vezje in potrebujete ohišje, ali če šele začenjate in želite, da elektronika in mehanika nastaneta usklajeno, nam pišite na info@selektronik.si; tiskana vezja za prototip pa medtem naročite na selektronik.si/pcb.