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Se pueden encontrar placas de circuito impreso (PCB) en casi cualquier dispositivo electrónico de la industria. Sin embargo, cada dispositivo u objeto que utiliza una PCB requiere su propia versión, y el diseño de la paleta de soldadura debe ajustarse con precisión para adaptarse a la geometría de la placa de circuito impreso.
Las paletas de soldadura se utilizan para aplicar componentes de orificio pasante a las placas de circuito impreso durante el ensamblaje. Protegen los componentes de tecnología de montaje superficial (SMT) en los circuitos y exponen los componentes sin máscara a la soldadura por ola a más de 200 °C (392 °F). La mayoría de los materiales poliméricos se funden bajo la intensa luz de cualquier estación de soldadura estándar.
En lo que respecta a su fabricación, los PCB y las paletas de soldadura que soportan su producción tienen requisitos térmicos, eléctricos, geométricos y mecánicos que tienden a ir más allá de lo que la mayoría de los materiales para impresión 3D pueden ofrecer.
¿Qué hace que la fabricación aditiva basada en compuestos sea diferente?
La tecnología de fabricación aditiva basada en compuestos (CBAM) se ha desarrollado para todos los procedimientos del proceso de ensamblaje de PCB. Es el único proceso basado en polvo que combina fibras largas de carbono o vidrio con materiales de matriz termoplástica de alto rendimiento como PA12 y PEEK.
El uso de fibras largas (de al menos 12 mm de longitud) ofrece un rendimiento y una resistencia significativamente mejorados, en comparación con las fibras cortas o cortadas, en toda la pieza y hasta los extremos, además de otras propiedades como estabilidad dimensional con resistencia térmica y química.
Gracias a su alta resistencia a la temperatura y su bajo coeficiente de expansión térmica, el PEEK es un material ideal para aplicaciones de fabricación electrónica. Este polímero de alto rendimiento permite el uso de un soldador en la fijación sin dañarla, manteniendo los componentes en su lugar durante el proceso y eliminando problemas de deformación. Con la tecnología CBAM, también es posible producir fijaciones a medida en tan solo unos días y a un coste mucho menor que el de los procesos de fabricación tradicionales.
Ricoh 3D se asoció con Impossible Objects en 2021 para introducir su tecnología CBAM en el mercado europeo. Mark Dickin, director de Fabricación Aditiva e Ingeniería de Moldeo de Ricoh 3D, afirmó:
“Si bien muchos pueden no considerar las plantillas y los accesorios como la aplicación natural para este tipo de compuestos, lo que sí sabemos es que una de las principales barreras para la impresión 3D es el costo.
La tecnología CBAM es una combinación única de rentabilidad y rendimiento. Vemos que las piezas de compostaje reforzado con fibra larga se utilizan para mejorar la ingeniería a partir de plásticos de menor coste, piezas metálicas ligeras o para crear piezas completamente nuevas que de otro modo serían imposibles.
Partes planas y emplumadas
Las piezas estrechas, como placas de circuitos y hélices, son excelentes aplicaciones para la tecnología CBAM. La impresión de puntos y bordes biselados con fibras distribuidas uniformemente para obtener piezas de alta resistencia y totalmente funcionales es posible gracias a la combinación de láminas de fibra larga y polvos poliméricos de alto rendimiento.
¿Pero cómo funciona?
Todo comienza tomando una lámina de tela no tejida (hecha de fibras de carbono o fibras de vidrio) y, utilizando un cabezal de impresión de inyección de tinta, se imprime la sección CAD en la lámina usando un fluido patentado.
Luego, la lámina se cubre con un polvo de polímero que se adhiere al lugar donde se depositó el fluido.
Se elimina el exceso de polímero, quedando éste depositado selectivamente en la lámina, repitiéndose los pasos para todas las capas.
Luego, las láminas se apilan, se comprimen y se calientan hasta el punto de fusión del polímero.
Las fibras en las que no hay polímero se eliminan con chorro de arena para revelar las piezas impresas en 3D.
Este proceso único permite producir piezas con una alta relación resistencia-peso a un coste hasta la mitad del de las piezas metálicas.
Lea nuestros estudios de caso a continuación para descubrir cómo se utiliza CBAM en el campo de la fabricación de productos electrónicos…
Casos de uso
Bandeja de alineación de LED
Tipo de pieza: Fibra de carbono PEEK
Temperatura de deflexión térmica: 260 °C (500 °F)
Resistencia química: Alta
Resultado: Se eliminaron los problemas de calidad
Dimensiones de la pieza: 103,0 x 29,6 x 10,5 mm
Plazo de entrega: 1 semana
El ejemplo aquí muestra una bandeja de alineación que se necesitaba para sostener 16 luces LED perpendiculares a la placa PCB durante el proceso de soldadura por ola para un proveedor de productos electrónicos.
Originalmente, el cliente no usaba ningún tipo de fijación ni método para asegurarse de que la posición de cada LED estuviera alineada para el ensamblaje del siguiente nivel, pero cuando su cliente necesitó que los LED se alinearan con la superposición de pantalla que iba sobre la PCB en el ensamblaje final, recurrieron a la impresión 3D.
Con 16 LED y 150 placas para rehacer, se desarrolló rápidamente una plantilla mediante impresión 3D que sujetaría los LED en su lugar durante el proceso de soldadura por ola. Sin embargo, las fijaciones de PLA, ABS y PVDF se fundían con el precalentamiento de la soldadura por ola, por lo que se exploró el PEEK de fibra de carbono para producir una bandeja de alineación reutilizable de alta temperatura.
Accesorio de soldadura
Tipo de pieza: Fibra de carbono PEEK
Temperatura de deflexión térmica: 260 °C (500 °F)
Resistencia química: Alta
Resultado: Se triplicó la producción y se eliminaron los problemas de calidad.
Dimensiones de la pieza: 109,9 x 34,9 x 10,9 mm
Plazo de entrega: 1 semana
Cuando otro cliente recibió un aumento del 400% en pedidos, se necesitó un dispositivo que procesara en lotes el proceso de soldadura manual de un conector soldado de PCB, en un esfuerzo por aumentar la producción y reducir las tasas de fallas.
El área principal de falla estaba en el terminal de engarce del cable blindado, lo que llevó al cliente a rediseñar el conjunto cable/PCB y convertir los terminales en un conector soldado con PCB.
Las operaciones tuvieron que ampliarse rápidamente para satisfacer la mayor demanda, pero el cuello de botella fue la soldadura de este nuevo conector a la placa principal con un cable coaxial. Los operadores tuvieron que sostener una placa más pequeña que una estampilla y asegurarse de que el conector estuviera a 90 grados en tres ejes, tras pre-estañar las almohadillas de 8900 de estas placas a la semana. Después de la primera semana, los operadores se quejaban de calambres en las manos.
En consecuencia, se desarrolló un accesorio de fibra de carbono PEEK para sostener 10 placas a la vez y al mismo tiempo mantener la posición del conector en la placa.
¿El resultado? El cliente triplicó su producción, con operadores capaces de producir las 800 piezas en 4 días, en lugar de que tres operadores tardaran una semana en realizar la misma tarea.
Accesorio de soldadura selectiva
Tipo de pieza: Fibra de carbono PEEK
Temperatura de deflexión térmica: 260 °C (500 °F)
Resistencia química: Alta
Resultado: Se eliminaron los problemas de calidad
Dimensiones de la pieza: 152,5 x 101,6 x 15,5 mm
Plazo de entrega: 1 semana
Cuando un cliente de la industria aeroespacial devolvió 300 conjuntos de PCB debido a una dimensión crítica que habían omitido, nuestro cliente se enorgulleció de brindar una respuesta a una pregunta difícil.
La placa de circuito impreso (PCB) requería un conector que no se ve en la imagen superior, que debía elevarse 0,7 mm en paralelo a la PCB. La tolerancia dada era de 0,1 mm, casi imposible de mantener en un proceso de soldadura automatizado.
El cliente estaba acostumbrado a crear sus propias herramientas, por lo que diseñó una geometría para soldar nueve conectores a la vez en el panel de proceso.
El nuevo accesorio, impreso en fibra de carbono PEEK, significó que los paneles restantes pudieron reelaborarse y pasaron todas las pruebas de paralelismo y dimensiones de altura, con otros 300 pedidos sin devoluciones.
Bandeja de disipador de calor de montaje en superficie
Tipo de pieza: Fibra de carbono PEEK
Temperatura de deflexión térmica: 260 °C (500 °F)
Resistencia química: Alta
Resultado: Problema imposible resuelto
Dimensiones de la pieza: 150,5 x 96,3 x 12,09 mm
Plazo de entrega: 1 semana
El dispositivo de arriba fue un diseño experimental para un cliente que exploraba métodos para disipar el calor del transistor de potencia. El conjunto, utilizado en equipos de radio de control de tráfico aéreo, está sometido a tensión continua durante 24 a 48 horas y debe ser capaz de soportar tensiones térmicas.
Se necesitaba un accesorio no metálico que pudiera sobrevivir a la temperatura extrema de 265°, así como también garantizar que la PCB estuviera soldada al disipador de calor, algo contradictorio para una pieza de metal diseñada para disipar el calor.
Este accesorio de PEEK de fibra de carbono simplificó el proceso, ya que se podían usar pasadores para mantener la placa y el disipador de calor alineados en la bandeja impresa en 3D. Esto significó que se confirmaron 25 unidades al mes durante los siguientes 5 años.
Paleta de soldadura por ola
Tipo de pieza: Fibra de carbono PEEK
Temperatura de deflexión térmica: 260 °C (500 °F)
Resistencia química: Alta
Resultado: Cumplimiento del plazo del cliente de 2 semanas
Dimensiones de la pieza: 210,4 x 162,23 x 8,0 mm
Plazo de entrega: 1 semana
Esta paleta de soldadura por ola de fibra de vidrio PEEK se diseñó e imprimió lista para producción en menos de una semana, lo que permitió a nuestro cliente cumplir con un plazo de dos semanas.
Anteriormente se había utilizado cinta Kapton para cubrir los “dedos” dorados de la placa, que estaban conectados a una fuente de alimentación y, por lo tanto, debían estar limpios de soldadura.
Cuando la cinta se caía repetidamente o se olvidaba, se diseñó un palé para evitar que este problema volviera a ocurrir. El plazo de entrega previsto para un palé era normalmente de seis semanas, con tiempo adicional para el rediseño.
Con FibreGlass PEEK, la primera y la segunda iteración se produjeron en solo dos semanas y se probaron con éxito con un panel de reemplazo.
Paleta SMT
Tipo de pieza: Fibra de carbono PEEK
Temperatura de deflexión térmica: 260 °C (500 °F)
Resistencia química: Alta
Resultado: Se permitió que la producción comenzara 6 semanas más rápido que utilizando una solución de fabricación tradicional.
Dimensiones de la pieza: 254,0 x 177,8 x 6 mm
Plazo de entrega: 1 semana
Nuestro cliente llevaba muchos años produciendo palés SMT, rehaciendo entre el 20 % y el 30 % de la placa en cada pedido tras las pruebas, ya que el ensamblaje solo podía probarse en la carcasa. La carcasa está soldada ultrasónicamente alrededor de la PCB, lo que significa que cualquier fallo puede provocar la destrucción y pérdida de la carcasa.
La principal causa de fallas fue la calidad de la soldadura de un conector, imposible de inspeccionar por medios convencionales, debido a los cables ocultos bajo la pieza. El conector se desprendía de algunas almohadillas debido a la deformación durante el reflujo SMT.
Para combatir esto, se fabricó una paleta SMT de PEEK de fibra de carbono con un alojamiento para el conector. Esto mejoró el rendimiento a aproximadamente un 85-90 % y, sin necesidad de realizar ajustes adicionales en el proceso de soldadura, el cliente alcanzó su objetivo de un rendimiento del 95 % en la primera pasada de este producto.
Accesorio de soldadura selectiva
Tipo de pieza: Fibra de vidrio PEEK
Temperatura de deflexión térmica: 260 °C (500 °F)
Resistencia química: Alta
Resultado: Entrega rápida de gran volumen
Dimensiones de la pieza: 15,75 x 16,58 x 15,00 mm
Plazo de entrega: 1 semana
Mantener la posición del conector durante el proceso de soldadura selectiva causaba problemas, ya que el lado que se soldaba primero se enfriaba inevitablemente y levantaba el otro. No se pudo instalar el hardware al soldar el conector, ya que había cables directamente junto a él, y los tornillos y tuercas debían estar libres de soldadura.
Las fijaciones de PEEK de fibra de vidrio evitan que los conectores se inclinen hacia adelante o hacia atrás durante el proceso de soldadura. Cuando la PCB se enfría, se instala el hardware y se elimina la diferencia de izquierda a derecha apretando los tornillos.
Dado que este conector tiene 44 terminales, la reparación es un proyecto completo que puede llevar horas. El accesorio de fibra de vidrio PEEK ha solucionado el problema hasta ahora.
Conclusión
Uno de los desafíos históricos de trabajar con materiales compuestos en la fabricación de productos electrónicos utilizando métodos convencionales siempre ha sido el tiempo y el costo.
La fabricación aditiva está cambiando esto, proporcionando una forma más rápida y eficiente de producir piezas compuestas, ya sea mediante la impresión de herramientas o directamente de piezas de uso final.
No es de extrañar que los materiales compuestos reforzados con fibra resulten atractivos para muchos sectores industriales. Son más resistentes y duraderos que los polímeros no reforzados, y a la vez más ligeros y económicos que los metales.
En Ricoh 3D estamos entusiasmados con las oportunidades que ofrece la fabricación aditiva de materiales compuestos y esperamos desarrollar aplicaciones con nuestros clientes que aprovechen las capacidades y el rendimiento que se pueden lograr con la tecnología CBAM, una tecnología de fabricación de materiales compuestos única basada en polvo.