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Native 3D-Tools für das Leiterplattendesign

Native 3D-Tools zum Editieren von Leiterplatten, die innerhalb der ECAD-Software für das mechanische Design laufen, zumindest für die Ausrichtung, die Platzierung und den Export dreidimensionaler Mechanikmodelle, machen es möglich, einen großen Teil der Arbeit in einem einzigen Softwarepaket zu erledigen. Altium Designer enthält beispielsweise Funktionen zum Ausrichten von 3D-Komponentenmodellen auf Footprints, zum Modellieren sowie zum Prüfen von Abständen zu Gehäusen. Falls nötig, sind auch Standard-Exporte komplexer Leiterplatten-Merkmale für die MCAD-Anbindung möglich. Vor kurzem entwickelte Altium außerdem ein neues Leiterplatten-Tool, das die Leiterplatten-Daten umfassend mit vollen 3D-CAD-Funktionen in SolidWorks integriert.

Die wirklichen Kosten, die aus dem Fehlen einer kohärenten Verbindung zwischen ECAD und MCAD resultieren, können beträchtlich sein. Sie können sich als nicht eingehaltene Termine und längere Markteinführungszeiten ebenso manifestieren, wie durch den ineffizienten Einsatz von Fachpersonal, sodass mehr Mitarbeiter vorgehalten werden müssen als eigentlich nötig. Wenn Designs wegen eingeschränkter Möglichkeiten zum Sondieren von Designvarianten in weniger eleganter Form auf den Markt kommen, kann dies außerdem den Umsatz schmälern. Hinzu kommen selbstverständlich die Auswirkungen, die wiederholte Prototyp-Iterationen auf das Entwicklungsbudget haben.

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Jeder gravierende Fehler kann eine ungewollte Prototyp-Iteration verursachen. Das Erzielen eines konfliktfreien Resultats gleich im ersten Anlauf ist jedoch in Wirklichkeit nur der erste Schritt. Auch ohne die Iterationen, die aus Fehlern beim Dateitransfer resultieren, erfordert der Designprozess in aller Regel mehrere Überarbeitungen und Modifikationen. Wie bei jeder Entwicklung, werden auch hier die aus einem Änderungsauftrag resultierenden Kosten umso höher, je weiter das Design bereits fortgeschritten ist. Im Durchschnitt kostet die Umsetzung eines Änderungsauftrags während der Entwicklung etwa 1.800 Euro. Dieser Betrag wächst jedoch auf nahezu 10.000 Euro, wenn ein Design bereits für die Fertigung freigegeben wurde.

Wenn es keinen automatisierten Datenaustausch gibt oder kein Vertrauen darin besteht, dass die korrekten Parameter übergeben werden, können hieraus noch subtilere Kosten entstehen. Erhöht man beispielsweise Toleranzen und Abstände, nur um ganz sicher zu gehen, so erhält man zwangsläufig Designs, die größer sind, mehr Material verbrauchen und eventuell höhere Kosten für Bauelemente verursachen als nötig. In einer Zeit immer kompakterer und zunehmend portabler Produkte ist dies aber mehr und mehr inakzeptabel.

Ebenso können Designer zum Überprüfen einer korrekten Passgenauigkeit wieder auf traditionelle Methoden setzen, wie zum Beispiel auf Papier- oder Kartonmodelle. Wenn man von der Ressourcenvergeudung absieht, die es bedeutet, wenn hochqualifizierte Schaltungs- und Leiterplattendesigner ihre Zeit mit dem Anfertigen von Pappmodellen verbringen, sind diese Attrappen auch nicht in der Lage, bestimmte Aspekte, wie etwa die Biegeradien von Rigid-Flex-Baugruppen, nachzubilden. Mit den aktuellen Releases von Altium Designer ist dies dagegen sehr wohl möglich.

Heutzutage ist es technisch machbar, mit 3D-Druckern räumliche Modelle anzufertigen, mit denen sich die korrekte Passgenauigkeit überprüfen lässt. Diese können eine nützliche Hilfe sein, um einen realen Eindruck vom Look and Feel des späteren Produkts zu bekommen. Verglichen mit einer integrierten ECAD/MCAD-Umgebung aber sind auch sie ein sehr eingeschränktes Hilfsmittel zur Verifikation der Passgenauigkeit und Abständen.

Nahtlose Umgebung für Elektronik- und Mechanikdesigner

Ein typischer konventioneller Designablauf beginnt mit einem Layoutentwurf, der entweder von mechanischen Vorgaben („es muss hier hineinpassen“) oder elektrischen Restriktionen („das Leiterplatten-Layout sieht logischerweise so aus, also muss das Gehäuse darum herum konstruiert werden“) bestimmt wird. Wenn nun die erste Leiterplattenversion in das Gehäuse passt, keines der Bauelemente aus dem vorgesehenen Raum herausragt und keine unerwarteten Konflikte auftreten, kann dieses Layout als unveränderlich festgelegt werden, denn größere Änderungen wären mit zu viel Aufwand verbunden. Mit einer nahtlosen Designumgebung aber erhalten Elektronik- und Mechanikdesigner die Möglichkeit, in der virtuellen Umgebung alternative Layouts und Formen zu sondieren, ohne dass für jede Änderung die Kosten einer größeren Designiteration in Kauf genommen werden müssten.

Ein Leiterplatten-Layout muss mit Bauelementen besetzt werden, und so stellt eine umfassende und präzise Komponentenbibliothek einen weiteren entscheidenden Aspekt einer integrierten Designumgebung dar. Viele Jahre lang bestand eines der Hindernisse, die einer integrierten Leiterplatten- und 3D-Designumgebung im Weg standen, in der eingeschränkten Verfügbarkeit von Komponentendaten. Wenn auch nur für einen geringen Teil aller verwendeten Bauelemente keine exakten Abmessungen verfügbar sind, kann man sich den Aufwand zum Einrichten eines CAD-basierten Ablaufs aber im Prinzip sparen. Heute ist die Situation deutlich besser, denn die Bauelemente-Hersteller und ihre Distributoren stellen Abmessungen und Parameter routinemäßig in gängigen Formaten zur Verfügung.

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