Hablamos mucho de creación rápida de prototipos y eso a menudo significa piezas mecanizadas o impresas en 3D. Pero muchos prototipos también son del tipo eléctrico, y para crear un prototipo electrónico que funcione (uno que combine la producción rápida de una carcasa con los componentes eléctricos internos), el diseñador también debe crear una placa de circuito personalizada para alimentar y controlar su creación. .
¿Qué es un circuito eléctrico?
Puede que esto no sea tan obvio. Un circuito en su forma más básica puede ser cualquier vía para el flujo de electricidad a través de un conductor, de un punto a otro. El circuito necesita algunos elementos esenciales para funcionar correctamente:
- Una fuente de energía. Puede ser una batería interna o una fuente de alimentación externa de algún tipo, CA o CC.
- Una capa aislante. Para una placa de circuito, esta es la plantilla en la que se traza el circuito. Es aislante para que la corriente eléctrica siga el camino designado y no se descontrole, yendo a lugares donde no debería.
- Un punto o puntos finales. Es decir, el circuito debe estar conectado a tierra para que la corriente pase a través del conductor, y habrá al menos un componente en el camino que se activa por el flujo de corriente para realizar una función.
Por supuesto, la mayoría de los circuitos son más complejos que esto, con múltiples vías simultáneas y muchos componentes discretos que realizan sus respectivas funciones en conjunto.
Los circuitos más simples serán de una sola capa, es decir, un camino bidimensional sobre un tablero aislante, con componentes montados en algún lugar a lo largo de ese camino.
¿Qué es un tablero multicapa y por qué es importante?
Los circuitos modernos, como los que se encuentran en una computadora o un teléfono inteligente, tienen la tarea de realizar una gran cantidad de trabajos simultáneamente. Para ello, las placas están repletas de miles de pequeños componentes, apiñados en el espacio más pequeño y delgado posible.
No es posible realizar todas esas funciones con una vía única y unidimensional. Para evitar esto, se crean múltiples circuitos y se colocan uno encima de otro, intercalados con una fina capa aislante que los separa. Esta construcción se llama laminado, aunque una vez unida parece ser una placa de circuito impreso (PCB) rígida y única.
Las placas de circuitos complejas pueden tener diez o más capas, lo que multiplica enormemente las posibilidades funcionales.
¿Cómo se fabrican los circuitos modernos?
El proceso comienza con el trazado de una ruta de circuito. El camino que elige un diseñador se basa en algunas consideraciones en competencia:
- ¿Cuánto espacio físico hay para trabajar? Es posible que sea necesario mover los componentes por razones de espacio, así como para controlar la posible acumulación de calor, que emiten todos los componentes eléctricos activos.
- ¿Qué función debe realizar el circuito?
- ¿Cuántos componentes debe haber en el circuito para realizar esa función?
Los diseños de placas de circuitos para la industria generalmente se realizan utilizando un formato de software estándar conocido como archivo Gerber. Los archivos Gerber contienen toda la información necesaria para la fabricación de placas de circuito, incluidos los requisitos de energía, los tipos y ubicaciones de los componentes y las rutas del circuito. El conductor suele ser cobre o una aleación y el aislante es FR4 (un epoxi reforzado con fibra).
En las fábricas modernas de placas de circuitos, se utiliza serigrafía o fotograbado para crear la ruta del circuito sobre un sustrato de cobre. Se utilizan productos químicos para «grabar» todo el cobre no deseado, dejando atrás el circuito.
Luego, se emplean costosos robots controlados por computadora para “recoger y colocar” componentes en el tablero. Los componentes se mantienen en su lugar con soldadura, que es una aleación de plomo/estaño con una baja temperatura de fusión.
Una vez que los componentes están en su lugar, la placa se coloca en un horno donde se hace refluir, es decir, la soldadura se funde y luego se enfría, lo que bloquea los componentes en su lugar para crear una placa de circuito unificada y funcional.
Todo el proceso lleva mucho tiempo, es potencialmente costoso, utiliza muchos recursos, requiere equipos muy especializados y exige grandes cantidades de forma rutinaria.
¿Puedes hacer tus propios tableros?
Es posible, y los aficionados e inventores lo han hecho desde los albores de la era eléctrica. Esto implica colocar y soldar componentes a mano, un conjunto de habilidades bastante diferente al del diseñador industrial.
En la actualidad existen técnicas disponibles que utilizan fotograbado sobre mylar para crear varias máscaras para un circuito. Los resultados son de baja resolución, no muy robustos y adecuados sólo para unas pocas copias.
¿Qué tiene que ver la impresión 3D con esto?
Las impresoras 3D en metal o plástico utilizan esencialmente el mismo razonamiento operativo: una armadura en un eje X/Y se mueve sobre una placa horizontal, depositando una cantidad discreta de material en capas sucesivas para «construir» el objeto tridimensional.
La mayoría de impresoras 3D cuentan con una boquilla inyectora, especialmente adaptada para la materia prima que aplica. Esto es válido incluso para la impresión médica de órganos o la impresión a gran escala de paneles de construcción para casas nuevas.
Ahora el mismo tipo de tecnología que se ha utilizado con tanto éxito en la revolución de la impresión 3D se está aplicando a la fabricación de placas de circuito personalizadas. Introduce un nuevo mundo de posibilidades para crear prototipos funcionales en pequeños volúmenes con una inversión limitada. ¿Qué tan impresionante es esta creación? Bueno, lo suficiente como para que los conocedores de la industria lo honraran con múltiples premios a la Invención del Año.
Otra campaña de Kickstarter, Voltera es una creación de Alroy Almeida, Kat Ilic, James Pickard y Jesus Zozaya, estudiantes de mechatronix y nanotecnología en la Universidad de Waterloo en Canadá. Este es uno de esos «¿Por qué no pensé en eso?» soluciones elegantes a un problema desconcertante que es casi perfecto desde el principio.
¿Cómo funciona la Voltera?
El diseño de la placa de circuito se crea en una computadora portátil estándar utilizando el formato de archivo Gerber y la computadora, a su vez, se conecta a Voltera.
Una vez que se completa el diseño, el operador coloca una pieza en blanco de la placa FR4 en la platina del Voltera y presiona «Ir».
La boquilla de la impresora establece el circuito conductor. Los componentes deben colocarse a mano en los lugares correctos, pero para prototipos pequeños esto no es demasiado engorroso.
Ahora aquí hay otra parte interesante. Esta máquina fabrica tableros de dos capas. Eso significa que un circuito se superpone a otro, lo que aumenta en gran medida la complejidad potencial y la funcionalidad del tablero terminado resultante. Pero hacer una placa multicapa significa que debe haber algún tipo de capa aislante entre los circuitos para evitar que se produzcan cortocircuitos entre sí. La Voltera lo sabe, por lo que utilizará su cabezal de impresión para dispensar un compuesto diferente, esta vez una máscara aislante exactamente en esos puntos de intersección donde una capa se cruza con otra.
1.Soldadura
Otra característica genial de Voltera es que puede cambiar a un cabezal de impresión diferente, este capaz de aplicar soldadura. La soldadura se aplica en los lugares exactos donde se montan los componentes en la placa, manteniéndolos en su lugar.
2.Reflujo
Con los componentes en su lugar, presione el botón de reflujo. Como se mencionó, el reflujo hace que la soldadura se derrita, creando una fuerte unión mecánica y eléctrica entre los componentes y la ruta del circuito. Después de que la placa se enfríe (y en realidad este proceso toma solo unos minutos), retira la placa y ahí lo tiene: su propio circuito personalizado.
El tablero resultante es casi equivalente a un producto producido en masa. Las grandes fábricas no quieren interrumpir su línea de producción para pedidos pequeños, lo que puede significar cantidades mínimas de pedido (MOQ) prohibitivas y sus gastos asociados. Esta solución evita por completo la fábrica y es económica, fácil de usar y, quizás lo mejor de todo, no requiere ningún químico tóxico.
En Be-Cu nos encanta trabajar en el desarrollo de nuevos productos. Muchas ideas de prototipos que se nos presentan involucran carcasas, cajas y otras carcasas donde se pretende colocar las placas de circuito más adelante. Ya existen muchas tecnologías disponibles para fabricar carcasas físicas tridimensionales para prototipos. Con Voltera, los diseñadores de productos, inventores y otras personas con un presupuesto ajustado también pueden fabricar la electrónica para un producto terminado completo, llave en mano, en un tiempo récord y con una inversión mínima, realmente beneficioso para todos. Contáctenos hoy para una cotización gratuita.
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