МИРЭА – Российский технологический университет сегодня – это современный и динамично развивающийся университет. Так, по итогам приёмной кампании 2023 года, по версии Минобрнауки России, РТУ МИРЭА – самый популярный столичный вуз: на первый курс было зачислено более 10,5 тыс. студентов. МИРЭА занимает первое место в Центральном федеральном округе по количеству поданных заявлений и третье место по России.
3D-принтер как изделие для отработки методики проектирования
Институт радиоэлектроники и информатики – учебно-научное структурное подразделение Университета, отвечающее за подготовку кадров для радиоэлектронной промышленности. В апреле 2022 года при вузе совместно с индустриальными партнёрами – разработчиками инженерного программного обеспечения АСКОН и ЭРЕМЕКС был открыт Центр коллективного проектирования «Элемент».Основной фокус внимания в ЦКП «Элемент» направлен на разработку типового интегрированного маршрута проектирования, с тем чтобы тиражировать его для разных образовательных направлений, поэтапно внедряя в междисциплинарную подготовку будущих радиоинженеров.
В самом начале перед нами встал вопрос, на примере какого устройства приступить к разработке типового учебного маршрута проектирования. Можно было бы ограничиться подготовкой хороших методик, но как заинтересовать студентов? В итоге выбор пал на фотополимерный 3D-принтер. Его конструкция включает как механическую, так и электрическую части, есть задачи по его сборке и программированию. Электронная часть, сформированная на печатных платах, содержит программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС), микроконтроллеры, прошивки. Иными словами, в работе над 3D-принтером можно всесторонне задействовать отечественные ИТ-решения для инженеров.
На рис. 1 представлен конструктив 3D-принтера и электронная часть с многослойной печатной платой управления LCD-дисплеем. Плата имеет 14 слоёв и проектировалась в системе Delta Design. Механическая часть была выполнена в САПР КОМПАС-3D, кабельная часть – в приложении «Кабели и жгуты» для КОМПАС-3D.
Рис. 1. Структурная схема типового фотополимерного 3D-принтера
Цифровые инструменты проектирования
Типовой маршрут проектирования будет охватывать следующие стадии жизненного цикла изделия: проектирование, конструкторскую подготовку производства и технологическую подготовку производства. Кроме уже упомянутых САПР-решений в разработке задействованы ЛОЦМАН: PLM как система управления жизненным циклом изделия, ПОЛИНОМ: MDM для управления нормативно-справочной информацией, САПР ТП ВЕРТИКАЛЬ для технологической подготовки, выпуска маршрутных и операционных карт.Поскольку речь идёт об электронной части изделия, ключевое место отводится EDA-продукту: мы используем Delta Design для проектирования печатных плат в связке с КОМПАС-3D, где создаётся конструкция. Данные из одной системы в другую передаются через конвертор eCAD – КОМПАС либо стандартными средствами конвертации. Для внеблочных соединений применяется КОМПАС-3D и «Кабели и жгуты».
К набору используемых инструментов планируем добавить САПР «Макс» для разработки электрических соединений и модуль DeltaCAM, программный продукт для технологов в области производства печатных плат, разработкой которого сейчас занимается компания ЭРЕМЕКС. В текущих планах также расширение визуализации разработок и имеющихся моделей средствами VR Concept.
Типовой маршрут проектирования: реализация и методическое обеспечение
При разработке методологии мы разбили типовой маршрут на три уровня.- Уровень 1. Печатные платы
- Уровень 2. Блоки и модули
- Уровень 3. Системы и комплексы
Рис. 2. 3D-модель печатной платы
Послойная топология многослойной печатной платы позволяет перейти к технологической подготовке производства, которую мы прорабатываем как следующий этап развития и доработки типового маршрута. За основу взят типовой технологический процесс изготовления печатных плат одного из контрактных производителей электроники.
Наша лабораторная база позволяет прототипировать многослойные печатные платы при помощи технологии 3D-печати наночернилами. Спроектированную в Delta Design плату мы напечатали вместе со всеми межслойными переходами, сквозными и глухими отверстиями, сложными конструкциями (рис. 3).
Рис. 3. Прототип печатной платы
Далее планируем подбор оборудования, проработку нормо-часов и ввод всех данных в ПОЛИНОМ: MDM. При помощи САПР ТП ВЕРТИКАЛЬ будет разработан технологический процесс изготовления и монтажа многослойной печатной платы. Но этого недостаточно, поскольку есть потребность в CAM-системах. Поэтому планируем на уровень 1 добавить модуль Delta CAM. Для этого изучаем, как встроить его в типовой маршрут.
Для уровня блоков и модулей спроектировали в КОМПАС светодиодную матрицу (рис. 4). Для третьего уровня сделали проработку и прорисовку принтера (рис. 5). Сейчас ведём работу над типовым маршрутом по покрытию межблочных соединений в приложении «Кабели и жгуты» и применению ВЕРТИКАЛЬ в технологической подготовке производства.
Рис. 4. Модель светодиодной матрицы
В результате мы должны прийти к параметризованной модели со всеми сборочными единицами 3D-принтера, включая электронную и механическую части. Сегодня уже готов маршрут проектирования корпуса и основных составных узлов.
Применение аддитивных технологий
Помимо отечественного инженерного программного обеспечения, для подготовки студентов, тем более радиоинженеров, важно обеспечить и хорошую материальную базу. В Институте радиоэлектроники и информатики МИРЭА – Российского технологического университета сформирован дизайн-центр с опытным производством, которое охватывает этапы прототипирования, настройки и регулировки радиоэлектронной аппаратуры, испытания, контроля, сборки и монтажа, электромагнитной совместимости – всё, что нужно, чтобы изделие появилось физически «в железе».Мы активно используем аддитивные технологии в прототипировании. 3D-принтер многослойных печатных плат позволяет по технологии AME (Additive Manufacturing Electronics) за несколько часов по gerber-файлам распечатать наночернилами и получить первые прототипы, которые можно будет смонтировать, далее сделать по ним ревью, внести исправления в конструкторскую документацию и выпустить новую версию.
Используется также линия для изготовления деталей конструктива 3D-MID (3D molded interconnected device – формирование трёхмерных схем на пластиковой основе) для создания проводящей топологии на объёмном пластиковом основании. Для детали любой сложной геометрии, спроектированной в КОМПАС-3D и напечатанной на 3D-принтере, можно получить проводящую структуру, топологию – не в плоских компоновках печатных плат, а в объёме. Этот конструктив затем встраивается в изделие. Мы планируем применять данную технологию в том числе в конструкции 3D-принтера и в типовом маршруте проектирования.
Третья технология – гибкие гибридные электронные схемы (Flexible Hybrid Electronics). В нашей лаборатории есть 3D-принтер, который может напечатать электронную часть на гибких носителях. Пока это делается экспериментально, о серии речи не идёт, но эту технологию мы тоже собираемся встроить в типовой маршрут проектирования.
Мы стараемся дать студентам не только классическую базу, но и перспективные технологии, то, что появится на производстве в ближайшие годы.
Комментарии