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3D-gedruckte Leiterplatten in Eigenregie

Autor / Redakteur: Henry Haefliger, All3dp.com* / Sebastian Gerstl

Die Herstellung einer maßgefertigten Platine kann besonders für Hobbybastler teuer und zeitaufwändig sein, gerade zuhause in Eigenregie. Viele versuchen daher, dies mit Hilfe eines 3D-Druckers umzusetzen. Aber wie geht das am Besten?

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Eine Leiterplatte aus dem 3D-Drucker scheint eine praktische, günstige Lösung für heimische Elektronik-Projekte zu sein. Aber welche Methoden gibt es, um im hauseigenen 3D-Drucker ein geeignetes PCB zu basteln?
Eine Leiterplatte aus dem 3D-Drucker scheint eine praktische, günstige Lösung für heimische Elektronik-Projekte zu sein. Aber welche Methoden gibt es, um im hauseigenen 3D-Drucker ein geeignetes PCB zu basteln?
(Bild: Thomas Sanladerer / YouTube)

Bei gedruckten Leiterplatten (Printed Circuit Board, PCB) lassen sich komplexe Verdrahtungen und Schaltkreise auf einer strukturierten und relativ kleinen flachen Oberfläche erzeugen. Prinzipiell wird bei einer Leiterplatte bzw. Platine leitfähiges Material linienförmig auf einem nichtleitenden Substrat aufgetragen und so ein komplexes elektrisches System platzsparend auf einer Oberfläche erzeugt. Durch mehrere Lagen solcher Boards übereinander entstehen noch komplexere Systeme.

Dank ihrer Leistungsfähigkeit und der günstigen Serienfertigungskosten kommen Leiterplatten in allen modernen Elektrogeräten zum Einsatz, vom Heimcomputer bis hin zum hochmodernen Laborsystem. Die Einsatzmöglichkeiten sind nahezu grenzenlos und reichen bis in den Do-it-Yourself-Bereich.

Oft nur scheinbar 3D-Druck

Recherchiert man zum Thema „3D-gedruckte Leiterplatten“, stößt man auf zahlreiche scheinbar verwandte Projekte. Doch meistens handelt es sich dabei um gar keine echten 3D-Druckprojekte.

Bei einem gängigen CNC-Verfahren wird beispielsweise mit einem Pen, der am Druckkopf befestigt ist, eine Schutzmaske auf ein Board gezeichnet. Mittels Ätzflüssigkeit werden dann die frei gebliebenen Bereiche entfernt und Leiterbahnen erzeugt (siehe anfolgendes Video). Oder die Leiterbahnen auf dem Board werden einfach mit einer CNC-Fräse herausgearbeitet.

3D-Druckmethoden

Beim echten 3D-Druck zu Hause haben wir zwei Möglichkeiten: Wir drucken ein Modell mit Leiterbahnen aus leitfähigem Filament als Verdrahtung, oder wir erzeugen leere Leiterbahn-Kanäle, die später mit einem leitfähigen Material befüllt werden. Dieser Beitrag beleuchtet beide Methoden.

An 3D-Druckern speziell für die Herstellung von Leiterplatten wird derzeit gearbeitet (die Industrie nutzt bereits einige eigens entwickelte Ansätze- Anmerkung der ELEKTRONIKPRAXIS-Redaktion.); fürs Erste jedoch werden Sie Ihre Eigenprojekte eher provisorisch durchführen. Informationen zu einem sehr vielversprechenden 3D-Platinendrucker finden Sie im nachfolgenden YouTube-Video der Design World.

Wenn Sie sich der Herausforderung stellen und selbst eine Leiterplatte für den 3D-Druck entwerfen möchten, jedoch nicht auf die Genauigkeit Ihres Druckers vertrauen, können Sie auch auf einen 3D-Druckservice zurückgreifen. Über den All3dp-Service Craftcloud, (Eigenclaim: Ihr Partner für umfassende 3D-Druckservices aus einer Hand), finden Sie schnell den besten Preis und Anbieter für Ihre Ansprüche – ohne Zusatzkosten!

Methode 1: Leitfähiges Filament

Wie soll es gehen: Mit gedruckten Leiterbahnen (Methode 1)...
Wie soll es gehen: Mit gedruckten Leiterbahnen (Methode 1)...
(Bild: I-see-3D / www.thingiverse.com/thing:3431218)

In diesem 3D-Druckverfahren für Platinen wird ein leitfähiges Filament in einem Linienmuster ähnlich dem einer normalen Platine aufgetragen. Das Spannende an dieser Methode ist, dass es mithilfe eines zweiten Materials theoretisch möglich ist, mehrere Schaltungsschichten und Geometrien über eine flache Oberfläche hinaus zu erzeugen.

Leitfähiges Filament ist in verschiedenen Ausführungen erhältlich. Das im 2D-Druck am häufigsten verwendete Material ist Tinte versetzt mit Metall, z.B. Silber. Daneben gibt es beispielsweise die Filamente ABS, PLA, HIPS oder TPU. Diese enthalten Graphen, das die elektrische Leitfähigkeit gewährleistet, wenn auch nicht so effizient wie Metall.

Methode 2: Leiterbahn-Kanäle

... oder lieber mit hohlen Kanälen, die später mit leifähigem Material befüllt werden (Methode 2)?
... oder lieber mit hohlen Kanälen, die später mit leifähigem Material befüllt werden (Methode 2)?
(Bild: mikey77 / www.instructables.com/id/3D-Printing-3D-Print-A-Solderless-Circuit-Board/)

Im zweiten Verfahren wird mittels 3D-Druck ein Modell mit hohlen Kanälen erzeugt, die später mit einer leitfähigen Substanz befüllt werden, z.B. Electric Paint (leitfähige Druckfarbe); Sie können aber auch leitfähiges Epoxid verwenden.

Stärken & Schwächen

Natürlich haben auch die beschriebenen Verfahren ihre Stärken und Schwächen. Mit der ersten Methode lassen sich präzisere und komplexere Geometrien erzeugen, doch mit einem herkömmlichen 3D-Drucker ist dies äußerst kompliziert. Die zweite Methode führt vielleicht schneller zum Erfolg und erfordert keinen Lötschritt, kann aber wegen des leitfähigen Füllmaterials teurer werden.

Angesichts der Verfügbarkeit, der geringen Kosten und der kurzen Zeit zwischen Entwurf und Produktion eignen sich 3D-gedruckte Leiterplatten bestens für den Do-it-Yourself-Bereich und das Prototyping. Gegenüber der herkömmlichen Methode, bei der die Leiterplatten am Montageband hergestellt werden, ist der Designprozess dank der Anpassungsmöglichkeiten eines 3D-Druckers um einiges flexibler, und maßgefertigte Testboards lassen sich schneller herstellen. Auch das Endprodukt profitiert vom 3D-Druck: Er ermöglicht die Fertigung von Boards und Schaltkreisen mit komplexen Geometrien, die einfacher in spezielle Gehäuse passen oder sich in größere Systeme integrieren lassen.

Es existiert zwar ausgeklügelte und umfangreiche PCB-Designsoftware – nicht aber für deren 3D-Druck.
Es existiert zwar ausgeklügelte und umfangreiche PCB-Designsoftware – nicht aber für deren 3D-Druck.
(Bild: Eurocircuits, www.eurocircuits.com)

Die wesentlichen Einschränkungen liegen momentan in fehlendem Softwaresupport und der relativen Wirksamkeit von leitfähigen 3D-gedruckten Materialien (insbesondere gegenüber Metall). Behält man dies im Hinterkopf, lässt sich mittels 3D-Druck eigentlich jede Art von Leiterplatte drucken, vorausgesetzt, der Drucker bietet die geforderte Präzision.

Wenn Sie noch Bauteile auf Ihr Board auflöten wollen, denken Sie daran: Lötzinn hat einen Schmelzpunkt von etwa 188 °C, und ein normaler Lötkolben wird bis zu 330°C heiß. Achten Sie also darauf, dass die Leiterbahnen nicht schmelzen.

Platinen selbst herstellen

Ganz ohne Planung geht es nicht.
Ganz ohne Planung geht es nicht.
(Bild: mikey77 / www.instructables.com/id/3D-Printing-3D-Print-A-Solderless-Circuit-Board/)

Aktuell gibt es keine Programme speziell für den Entwurf von Leiterplatten für den 3D-Druck. Wir empfehlen Ihnen, mit der Modelliersoftware zu arbeiten, mit der Sie vertraut sind, ob es nun ein einfacheres Tool ist wie TinkerCAD oder etwas Ausgereifteres wie Fusion 360. Einfacher ginge es natürlich mit einem Programm, mit dem sich mehrere Materialien modellieren lassen.

Was ist für den 3D-Druck einer Leiterplatte mittels einer der beschriebenen Methoden erforderlich? Wir geben Ihnen nachfolgend einen Überblick. Ehe Sie loslegen, werden Sie zunächst Ihr Design zur besseren Visualisierung skizzieren.

3D Electronics Forum 2020

Mit einem neuen Konzept und einer neuen Ausrichtung findet dieses Jahr zum ersten Mal das 3D Electronics Forum – Design and Manufacturing, vormals Praxisforum 3D-gedruckte Elektronik, statt. Am 7. Oktober 2020 dreht sich in Würzburg alles um die unterschiedlichen Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler Elektronik – von additiver Fertigung über gedruckte Elektronik bis hin zu In-Mold-Technologien sowie dem Design von 3D-Elektronik.

Das erwartet Sie auf dem 3D Electronics Forum 2020

Platinen herstellen unter Verwendung leitfähigem Filaments

Wenn Ihnen - wie den meisten Eigentümern eines 3D-Druckers - nur ein Extruder zur Verfügung steht, müssen Sie Ihr Design zweiteilen:

  • 1. Basierend auf der Skizze Ihres Schaltkreises modellieren Sie zunächst eine Vorlage mit nur wenigen Schichten. Daraus entstehen die Leiterbahnen, die in leitfähiges Material gedruckt werden. Denken Sie daran, Löcher für externe Komponenten vorzusehen.
  • 2. Danach drucken Sie die Basis auf, die die Leerräume innerhalb und außerhalb des Schaltkreises füllt. Das lässt sich relativ einfach durch Subtraktion der Vorlage aus Schritt 1 durchführen.
  • 3. Sichern Sie die beiden Designs einzeln; achten Sie jedoch darauf, dass die zusammengehörigen Koordinaten so ausgerichtet sind, dass das erste Modell korrekt in das zweite eingefügt wird. Erstellen Sie Slices der Modelle und übertragen Sie sie in Ihren Drucker.
  • 4. Bestücken Sie den Drucker mit leitfähigem Filament und drucken Sie das erste Modell (Leiterbahnen).
  • 5. Lassen Sie den ersten Ausdruck im Drucker. Legen Sie nun das zweite (nichtleitende) Filament ein und drucken Sie das zweite Modell. So entsteht ein solider Druck aus zwei unterschiedlichen Materialien.

Sieht schon mal ganz gut aus.
Sieht schon mal ganz gut aus.
(Bild: i-see-3D / www.thingiverse.com/thing:3431218)

Achten Sie hier unbedingt darauf, dass die beiden Modelle korrekt ausgerichtet sind. Wenn Sie das sichergestellt haben, können Sie weitere Lagen mit Schaltkreisen erzeugen. Eine ausführliche Beschreibung dieser Methode sehen Sie in diesem YouTube Tutorial. Es zeigt einen Druckvorgang mit mehreren Filamenten, die über nur eine Düse aufgetragen werden.

Wenn Ihre Leiterplatte fertig gedruckt ist, können Sie diverse Bauteile wie bei normalen Leiterplatten anbringen. Achten Sie auch hier darauf, dass Sie mit Ihrem Lötkolben nicht zu dicht an die Leiterplatte herangehen.

An einem Beispiel ähnlich dem oben beschriebenen Verfahren hat sich der User I-see-3D auf Thingiverse versucht. Das Modell wurde wohl nicht getestet, doch man erkennt gut, wie es funktionieren soll. Als Filament wurde leitendes PLA von Proto Pasta verwendet.

Platinen herstellen unter Verwendung hohler Leiterbahn-Kanäle

Entwurf und Druck bei Methode 2 gehen wie in Methode 1 vonstatten. Die restliche Arbeit besteht im Aufbringen des leitfähigen Materials.

  • 1. Wie bei Methode 1 modellieren Sie zunächst eine Vorlage, die nur wenigen Lagen hat, und subtrahieren sie. Übrig bleiben dann die Leerräume für die Leiterbahnen. (Hinweis: Das spätere Hinzufügen von leitfähigem Material ist mit einer gewissen Ungenauigkeit verbunden. Sie sollten daher die Kanäle etwas breiter planen, als sie eigentlich sein müssten.
  • 2. Wählen Sie ein nichtleitendes Filament, z.B. PLA, PETG oder ABS, und drucken Sie Ihr Modell.
  • 3. Platzieren Sie alle Schaltungskomponenten. Füllen Sie dann die Leerstellen auf dem Modell mit dem leitfähigen Material. Einfacher geht dies mithilfe einer Injektionsspritze oder Pipette.
  • 4. Falls erforderlich, lassen Sie das leitfähige Material ruhen und trocken. Sinnvoll ist es, das fertige Board z.B. mit Silikon zu versiegeln, damit kein Sauerstoff oder Feuchtigkeit eintreten kann.

Gedrucktes PCB: Komponenten bestückt, bereit für die Farbe.
Gedrucktes PCB: Komponenten bestückt, bereit für die Farbe.
(Bild: mikey77 / www.instructables.com/id/3D-Printing-3D-Print-A-Solderless-Circuit-Board/)

Diese Methode demonstriert User mikey77in einem Instructable. Achten Sie auf Folgendes:

  • In Schritt 3 versucht mikey77, die Leiterbahnen zu verbreitern.
  • Als leitendes Material wurde eine Druckfarbe mit der Bezeichnung “Conductive Copper” verwendet; mikey77 empfiehlt jedoch auch Silber-Epoxid.
  • Dank des Designs lassen sich die Anschlüsse der Schaltungskomponenten leicht in die Nutöffnungen einbiegen, ehe die Farbe hinzukommt.

* Henry Haefliger ist ein Mitglied der All3DP Content Academy und mitwirkender Autor bei All3DP.com

Dieser Text ist eine Übersetzung des Beitrags "PCB 3D Printer: All About 3D Printed Circuit Boards" von All3DP.com und wurde lizenziert nach Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0). Übersetzung: Sabine Pagler.

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