Qué son las placas de circuito impreso en 3D y las impresoras 3D de PCB

Placas de circuito impreso 3D e impresoras PCB 3D

Las placas de circuito son el centro neurálgico de la electrónica. Todo producto alimentado por electricidad necesita una para funcionar, y los dispositivos más avanzados necesitan componentes diseñados con eficacia y precisión. Naturalmente, los investigadores han empezado a experimentar con las impresoras 3D de PCB para crear placas de circuito impresas en 3D y así pasar al siguiente nivel.

Las placas de circuito funcionan creando un circuito eléctrico sobre un lecho de material no conductor como el plástico. Las pistas se tallan en la placa y se rellenan con un metal conductor, normalmente cobre o plata. Los componentes eléctricos se conectan a través de estas pistas cuando se sueldan a la placa, creando el circuito.

¿Por qué imprimir placas de circuito impreso en 3D?

La mayoría de las placas de circuito se denominan placas de circuito impreso (PCB) debido a que las primeras placas se fabricaban utilizando plantillas para imprimir tinta conductora especial en papel o en una placa. Sin embargo, hay una gran diferencia entre éstas y las placas de circuito impresas en 3D.

Tradicionalmente, hay varios métodos que se pueden utilizar para producir placas de circuito, tanto para aficionados como para profesionales.

Corte láser

Las pistas se pueden formar en su placa de circuito mediante el uso de un cortador láser para esculpir su diseño asistido por ordenador. Las pistas se pueden llenar de metal para formar el circuito.

Fresado CNC

Del mismo modo, las máquinas CNC o routers se pueden utilizar para fresar en el material de la placa de circuito. Como antes, las pistas se pueden rellenar.

Iron-On con papel brillante

Después de diseñar la forma de tu circuito deseado, se imprime en papel brillante utilizando impresoras cotidianas. El diseño se plancha sobre la placa de circuito y se coloca en una solución de cloruro férrico en polvo y agua, que disuelve el material no deseado, formando las pistas. Esto se llama «grabado».

Aunque este último método puede ser muy barato, al igual que los otros métodos tradicionales, da lugar a una gran cantidad de material desperdiciado. También es bastante burdo y puede reducir la conductividad y la eficiencia del circuito.

Las impresoras 3D de PCB son una opción mucho mejor para la fabricación de circuitos impresos, ya que reducen la probabilidad de errores humanos y producen menos material de desecho que los métodos de fabricación tradicionales.

Cómo imprimir placas de circuito en 3D

La impresión 3D de placas de circuitos ofrece a los fabricantes mucha más libertad sobre la complejidad y la escala de sus diseños que los métodos tradicionales, y desperdicia menos. El fresado CNC o el corte por láser dejan material de desecho, la impresión 3D imprime sólo lo necesario.

Hay dos métodos para imprimir placas de circuito en 3D que puedes hacer en casa.

Filamentos conductores

Los filamentos conductores pueden utilizarse para imprimir en 3D placas de circuito diseñadas con pistas preestablecidas en el software CAD. A continuación, la impresora simplemente imprime alrededor de ellas, dejándolas abiertas.

Las impresoras 3D de doble extrusor también son capaces de imprimir utilizando múltiples filamentos, por lo que es muy fácil imprimir la placa utilizando primero un material no conductor y rellenar después las pistas con metal.

A diferencia de los métodos tradicionales, las amplias capacidades de la impresión 3D han permitido a los expertos empezar a experimentar con diseños poco convencionales. Algunos han producido placas de circuitos con múltiples capas distintas. De este modo, se ha reducido el espacio de desecho dentro de los productos electrónicos, haciéndolos más rígidos y duraderos.

Otros también han empezado a estudiar la posibilidad de imprimir con formas, colores y dimensiones diferentes. Johan Von Konow, un ingeniero sueco, está desarrollando placas de circuito impresas en 3D de gran tamaño y colorido para su uso en diversos sectores, como el de los juegos. No requieren ningún equipo especial, son de bajo coste e integran los cables internamente para reducir los daños.

La eliminación de las anteriores restricciones de diseño es algo que marcará el futuro de la electrónica y facilitará el desarrollo en los sectores que dependen de ella.

Trazado Hueco

La segunda forma de fabricar placas de circuito es mediante trazados huecos. Este proceso implica la impresión de un bloque sólido de material, con pistas huecas formadas internamente. Los componentes electrónicos se insertan en ellas y se conectan rellenando la placa con pintura eléctrica o resina epoxi conductora.

El trazado hueco es un proceso mucho más rápido y sencillo que la impresión FDM, y no requiere ninguna soldadura posterior. La impresión de filamento sólo forma la placa en sí, a la que luego hay que unir los componentes, mientras que esto puede completarse sin ningún trabajo adicional.

Sin embargo, la otra cara de la moneda es que es mucho menos capaz de formar diseños complejos con muchos componentes, y también hay que tener en cuenta el coste de la pintura epoxi o conductora, que se suma a los costes.

Ambos tienen sus ventajas, y es importante considerar cuidadosamente qué proceso se adapta mejor a sus necesidades antes de empezar.

Las mejores impresoras de sobremesa de placas de circuito impreso en 3D

Para empezar: Impresora Voltera V1-PCB

Para aquellos que buscan comenzar a imprimir placas de circuitos en 3D, la Voltera V1 es una excelente impresora de nivel de entrada para hacerlo. Tiene un volumen de construcción respetable, y es compatible con múltiples paquetes de software de diseño. Es una de las impresoras 3D de PCB más baratas del mercado.

Para usuarios experimentados: Squink by Bot Factory

Con un precio de 3.199 dólares, Squink es un paso adelante para aquellos que buscan imprimir placas de circuito más grandes y complejas. Dispone de 3 boquillas: una para imprimir, otra para pegar o aplicar la soldadura y otra para recoger y colocar.

Además, Bot Factory está trabajando en el desarrollo de la capacidad de insertar automáticamente los componentes eléctricos durante el proceso de impresión, lo que aceleraría notablemente el proceso general.

De lo mejor: Impresora DragonFly 2020 PCB 3D de Nano Dimensions

A pesar de ser anunciada como la primera impresora PCB 3D de escritorio, la Nano Dimensions DragonFly 2020 sigue siendo el rey; incluso parece algo salido de una película de ciencia ficción.

Tiene uno de los mayores volúmenes de construcción de cualquier impresora PCB 3D en el mercado, y soporta la mayoría de pinturas y tintas conductoras para trazas huecas. Sin embargo, todo esto no es barato, ya que los precios comienzan en $50,000, por lo que es mejor empezar a ahorrar ahora.

Ventajas y desventajas de las placas de circuito impreso en 3D

Ventajas de la impresión 3D de placas de circuito impreso

• Rápido tiempo de diseño a producción: El hecho de que todo el proceso de diseño y fabricación se realice por ordenador hace que el tiempo de diseño a producción de las placas de circuito impreso en 3D sea mucho más rápido que si se utilizan métodos tradicionales. Esto hace que la producción sea mucho más eficiente y aumenta la capacidad de producción.
• Menos material de desecho: Con la impresión 3D, sólo se utiliza el material necesario, a diferencia de los métodos tradicionales en los que el material sobrante se fresa o se corroe. Esto tiene un enorme impacto en el coste, especialmente en grandes cantidades y a lo largo del tiempo.
• Mayor flexibilidad de diseño: La flexibilidad de diseño que ofrece el diseño por ordenador en la impresión 3D permite a los investigadores experimentar con diferentes formas y capas. Este enfoque más específico es un gran avance para otras industrias que dependen de los circuitos, como la de los juegos y el entretenimiento.

Limitaciones de las placas de circuito impreso en 3D

• Falta de soporte de software: Existen algunas aplicaciones de software de diseño de código abierto para la impresión de placas de circuitos en 3D. Si se dominan, son mucho mejores que otros programas de CAD. Sin embargo, pueden ser bastante inaccesibles para los diseñadores menos expertos, con una notable falta de apoyo o guía sobre cómo utilizarlos. Esto dificulta la búsqueda de placas de circuito impreso en 3D a menos que se tenga experiencia en el campo y se conozcan los entresijos del diseño. Definitivamente, no es un primer paso.
• Conductividad de los materiales: La resina epoxi o la pintura conductora utilizada en la producción de trazos huecos está ciertamente diseñada para facilitar la conductividad de su circuito, pero sigue siendo mucho menos eficaz que el metal. Dependiendo de la escala de su proyecto, esto puede no ser un problema, pero la resistencia eléctrica de tales materiales es algo a tener en cuenta al diseñar su placa de circuito impreso en 3D.
• Riesgo al soldar: Si utilizas el método del filamento conductor, tendrá que soldar posteriormente los componentes electrónicos a la placa de circuito impreso en 3D que ha producido. Implica depositar metal fundido en su placa, lo que, si se hace sin cuidado, podría debilitarla considerablemente. Los soldadores suelen calentarse a más de 300°C, más que suficiente para dañar el metal impreso en 3D de su placa. Es fácil de controlar si eres hábil y prestas atención, pero asegúrate de que un desliz de la mano no deshaga todo tu duro trabajo.

¿Qué se puede conseguir con las placas de circuito impreso en 3D y las impresoras 3D de PCB?

El verdadero alcance de las aplicaciones de las placas de circuito impreso en 3D apenas está empezando a comprenderse. Mucho más allá de la fabricación de circuitos cotidianos para dispositivos domésticos, la impresión 3D está empezando a demostrar su eficacia en industrias mucho más avanzadas.

En mayo de 2020, la empresa aeroespacial alemana HENSOLDT, en asociación con la empresa tecnológica israelí Nano Dimensions, anunció que, mediante la impresión 3D, habían sido capaces de producir una placa de circuito de 10 capas y doble cara.

Utilizando el polímero dieléctrico y las tintas conductoras de Nano Dimension, han podido crear una placa de circuito con componentes eléctricos soldados a ambos lados, lo que permite controlar dos dispositivos distintos utilizando una sola placa.

La producción de una placa como ésta con los métodos tradicionales es ineficiente hasta el punto de ser inviable, pero la fabricación aditiva ha permitido a HENSOLDT crear un prototipo que funciona, el primero de este tipo. Se espera que la impresión 3D sea crucial para la creación de prototipos en una industria en constante evolución.

HENSOLDT es muy activa en la producción de dispositivos para uso militar, concretamente sensores de radar y herramientas de comunicación. Se espera que la capacidad de imprimir placas de circuitos en 3D de esta manera reduzca drásticamente el peso y mejore la eficiencia del diseño de los vehículos y equipos militares en el futuro.

Además, dado que la investigación militar es un sector constante y en constante evolución, la capacidad de producir de forma rápida y barata prototipos de corta duración que podrían salvar vidas en el campo de batalla es un regalo que no tiene precio.

Muchas herramientas útiles que utilizamos en la vida cotidiana, curiosamente, provienen de su uso en el ejército primero, el velcro y la navegación por satélite por nombrar sólo un par. Si bien la impresión en 3D de placas de circuitos está ahora mismo en la vanguardia de la tecnología militar, dentro de unos años o décadas se convertirá sin duda en un elemento de la vida doméstica. Esto es especialmente cierto en este caso, dada la ubicuidad de la tecnología de impresión 3D.

Las placas de circuitos impresas en 3D pronto se convertirán en una joya oculta en todas nuestras vidas.