radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2023-26-4-81-94radioelectronics-779Research ArticleПРОЕКТИРОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВENGINEERING DESIGN AND TECHNOLOGIES OF RADIO ELECTRONIC FACILITIESОценка размерных показателей элементов проводящего рисунка печатных плат, полученных с помощью 3D-печатиEvaluation of Dimensional Characteristics of Conductive Pattern Elements of 3D-Printed Circuit Boardshttps://orcid.org/0009-0004-3625-3250СмирноваО. Н.SmirnovaO. N.

Смирнова Ольга Николаевна – аспирантка кафедры электронных технологий в машиностроении 

ул. 2-я Бауманская, д. 5, стр. 1, Москва, 105005

 Автор 17 научных публикаций. Сфера научных интересов – печатные платы и печатные узлы в части технологий их изготовления; методы испытаний и  контроля.

 

Olga N. Smirnova - postgraduate student of the Department of Electronic Engineering Technologies 

 5/1, 2-ya Baumanskaya St., Moscow 105005

The author of 17 scientific publications. Area of expertise: printed circuit boards and their assembly; manufacturing technologies; test and control methods.

olga.smirnova.nik@gmail.comhttps://orcid.org/0009-0009-8980-7866АлександровА. А.AleksandrovA. A.

Александров Александр Александрович – аспирант кафедры технологий обработки материалов 

ул. 2-я Бауманская, д. 5, стр. 1, Москва, 105005

Автор 5 научных публикаций. Сфера научных интересов – аддитивные технологии; лазерные аддитивные технологии; коаксиальное лазерное плавление; исследование технологической прочности жаропрочных сплавов.

Alexander A. Aleksandrov - postgraduate student of the Department of Materials processing technologies 

5/1, 2-ya Baumanskaya St., Moscow 105005

 The author of 5 scientific publications. Area of expertise: additive technologies; laser additive technologies; coaxial laser melting; study of technological strength of heat-resistant alloys.

alexandrov@bmstu.ruhttps://orcid.org/0009-0009-7231-7422БоброваЮ. С.BobrovaYu. S.

Боброва Юлия Сергеевна – инженер (2006), инженер-технолог кафедры электронных технологий в машиностроении 

ул. 2-я Бауманская, д. 5, стр. 1, Москва, 105005

Автор более 40 научных публикаций. Сфера научных  интересов – технологии изготовления и контроля печатных плат.

Yulia S. Bobrova - Engineer (2006), Process Engineer, of  the Department of Electronic Engineering Technologies 

 5/1, 2-ya Baumanskaya St., Moscow 105005

The author of more than 40 scientific publications. Area of expertise: technologies of manufacturing and control of printed circuit boards.

u.s.bobrova@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-8753-7737МоисеевК. М.MoiseevK. M.

Моисеев Константин Михайлович – кандидат технических наук (2012), доцент кафедры электронных технологий в машиностроении (2006).

ул. 2-я Бауманская, д. 5, стр. 1, Москва, 105005

Автор более 50 научных публикаций. Сфера научных интересов – микро- и наноэлектроника; вакуумная и плазменная электроника; вакуумные технологические процессы и оборудование.

Konstantin M. Moiseev - Cand. Sci. (Eng.) (2012), Senior Lecturer of Department of Electronic Engineering Technologies 

 5/1, 2-ya Baumanskaya St., Moscow 105005

 The author of more than 50 scientific publications. Area of expertise: micro- and nanoelectronics; vacuum and plasma electronics; vacuum technological processes and equipment.

k.moiseev@bmstu.ruМосковский государственный технический университет им. Н. Э. БауманаРоссияBauman Moscow State Technical UniversityRussian Federation2023011020232648194Copyright © Смирнова О.Н., Александров А.А., Боброва Ю.С., Моисеев К.М., 20232023Смирнова О.Н., Александров А.А., Боброва Ю.С., Моисеев К.М.Smirnova O.N., Aleksandrov A.A., Bobrova Y.S., Moiseev K.M.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/779Введение

Введение. Анализ зарубежных исследовательских работ, посвященных методам 3D-печати, показывает возможность их применения для изготовления печатных плат (ПП), а также демонстрирует рост интереса в данном направлении. Одним из доступных методов является метод послойного наложения филамента, который обычно применяется для формирования подложки с каналами под проводники. На текущий момент минимальная ширина канала составляет 100 мкм, что соответствует 5-му классу точности ПП. Однако данные о способе получения подобных размеров или об уровне их отклонения от заданных номинальных значений отсутствуют.

Цель работы

Цель работы. Определить влияние таких производственно-технологических факторов, как диаметр экструзионного сопла (ЭС) и количество контуров, на размерные характеристики ПП (линейные размеры, ширина канала печатного проводника, расстояние между проводниками, диаметр сквозного отверстия).

Материалы и методы

Материалы и методы. Для получения линейных моделей проводится полный факторный эксперимент. Оценивается влияние материалов – полилактид (PLA), акрилонитрил бутадиен стирол (ABS) и стеклонаполненный ABS; слайсеров – Ultimaker Cura и PrusaSlicer; 3D-принтеров – Picaso 3D Designer Classic 2016 и Hercules Strong 2017; латунных ЭС диаметрами ∅0.2 и ∅0.4 мм. Рассматривается возможность применения латунных ЭС, покрытых химическим никелем, для печати стеклонаполненными филаментами. Исследование проводилось на производственной базе Научно-образовательного центра "Центр аддитивных технологий" при МГТУ им. Н. Э. Баумана.

Результаты

Результаты. Показана возможность изготовления ПП до 2-го класса точности при использовании ЭС ∅ 0.4 мм и до 3-го класса точности для ЭС ∅0.2 мм. Выявлено, что гальваническое нанесение химического никеля на латунное ЭС ∅0.2 мм позволяет повысить его износостойкость для печати стеклонаполненными филаментами. Даны рекомендации по выбору комбинации диаметра ЭС и количества контуров.

Заключение

Заключение. Анализ полученных адекватных математических моделей показывает значимость диаметра ЭС и количества контуров. Полученные результаты могут быть использованы для создания макетов ПП

Introduction

Introduction. A review of foreign publications on 3D printing methods shows the possibility of their application for the manufacture of printed circuit boards (PCBs), while demonstrating the growth of interest in this field. One of the available methods is fused deposition modeling, which can be used to form substrates with channels for traces. At present, the minimum channel width comprises 100 µm, which corresponds to the 5th class of PCB accuracy. However, there is no data on how to obtain such dimensions or on the magnitude of their deviation from the given nominal values.

Aim

Aim. To determine the influence of such factors as nozzle diameter and the number of contours on the dimensional characteristics of PCBs (linear dimensions; trace channel width; trace spacing; via diameters).

Materials and methods

Materials and methods. To obtain linear models, a full factorial experiment was carried out. The influence of the following materials was evaluated – polylactide (PLA), acrylonitrile butadiene styrene (ABS) and glass-filled ABS; slicers – Ultimaker Cura and PrusaSlicer; 3D printers – Picaso 3D Designer Classic 2016 and Hercules Strong 2017; brass nozzle with diameters ∅0.2 and ∅0.4 mm. The possibility of using brass nozzles coated with chemical nickel for printing with glass-filled filaments was considered. The study was conducted using the facilities of the "Center for Additive Technologies" of Bauman Moscow State Technical University.

Results

Results. The possibility of manufacturing PCBs up to the 2nd and 3rd accuracy classes using nozzles with a diameter of ∅0.4 and ∅0.2 mm, respectively, was shown. It was found that galvanic deposition of chemical nickel on a ∅0.2 mm brass nozzle makes it possible to increase the PCB wearability when printing with glass-filled filaments. Recommendations are proposed for selecting an optimal combination of nozzle diameter and the number of contours.

Conclusion

Conclusion. The conducted analysis of mathematical models shows the significance of such parameters as nozzle diameter and the number of contours. The results can be used when creating new PCB layouts

печатные платыэлементы проводящего рисункапослойное наложение филаментаFDM-технология3D-печатьprinted circuit boardsconductive pattern elementsFused Deposition ModelingFDM3D printingReferencesСмирнова О. Н., Боброва Ю. С., Моисеев К. М. Методы 3D-печати для изготовления печатных плат // Электроника: наука, технология, бизнес. 2022. № 8. С. 128–134. doi: 10.22184/1992-4178.2022.219.8.128.136Smirnova O. N., Bobrova Yu. S., Moiseev K. M. 3D Printing Methods for PCB Manufacture. Electronics: Science, Technology, Business. 2022, no. 8, pp. 128–134. doi: 10.22184/1992-4178.2022.219.8.128.136 (In Russ.)Nelson M. D., Ramkumar N., Gale B. K. Flexible, transparent, sub-100 µm microfluidic channels with fused deposition modeling 3D-printed thermoplastic polyurethane // J. of Micromechanics and Microengineering. 2019. Vol. 29, № 9. P. 1–8. doi: 10.1088/1361-6439/ab2f26Nelson M. D., Ramkumar N., Gale B. K. Flexible, Transparent, Sub-100 µm Microfluidic Channels with Fused Deposition Modeling 3D-Printed Thermoplastic Polyurethane. J. of Micromechanics and Microengineering. 2019, vol. 29, no. 9, pp. 1–8. doi: 10.1088/1361-6439/ab2f26Fabrication of conductive paths on a fused deposition modeling substrate using inkjet deposition / W. Zhou, F. A. List, C. E. Duty, S. S. Babu // Rapid Prototyping J. 2016. Vol. 22, № 1. P. 77–86. doi: 10.1108/RPJ-05-2014-0070Zhou W., List F. A., Duty C. E., Babu S. S. Fabrication of Conductive Paths on a Fused Deposition Modeling Substrate Using Inkjet Deposition. Rapid Prototyping J. 2016, vol. 22, no. 1, pp. 77–86. doi: 10.1108/RPJ-05-2014-0070ГОСТ Р 53429–2009. Платы печатные. Основные параметры конструкции. М.: Стандартинформ, 2018. 11 с.GOST R 53429–2009. Printed Circuit Boards. Basic Parameters of Structure. Moscow, Standartinform, 2018, 11 p. (In Russ.)Смирнова О. Н, Боброва Ю. С., Моисеев К. М. Анализ методов 3D-печати для изготовления ПП: метод послойного наложения филамента. Ч. 5 // Технологии в электронной промышленности. 2021. № 6. С. 48–55.Smirnova O. N., Bobrova Yu. S., Moiseev K. M. Analysis of 3D Printing Methods for the Manufacture of PCD: Fused Deposition Modeling. Part 5. Technologies in the Electronic Industry. 2021, no. 6, pp. 48–55. (In Russ.)Гибсон Я., Розен Д., Стакер Б. Технологии аддитивного производства. Трехмерная печать, быстрое прототипирование и прямое цифровое производство / пер. с англ.; под ред. И. В. Шишковского. М.: Техносфера, 2020. 648 с.Gibson I., Rosen D., Stucker B. Tekhnologii additivnogo proizvodstva. Trekhmernaya pechat', bystroe prototipirovanie i pryamoe tsifrovoe proizvodstvo [Additive Manufacturing Technologies. 3D Printing, Rapid Prototyping, and Direct Digital Manufacturing]. Transl., ed. by I. V. Shishkovskii. Moscow, Tekhnosfera, 2020, 648 p. (In Russ.)Turner B. N., Strong R., Gold S. A. A review of melt extrusion additive manufacturing processes: I. Process design and modeling // Rapid Prototyping J. 2014. Vol. 20. P.192–204. doi: 10.1108/RPJ-01-2013-0012Turner B. N., Strong R., Gold S. A. A Review of Melt Extrusion Additive Manufacturing Processes: I. Process Design and Modeling // Rapid Prototyping J. 2014, vol. 20, pp. 192–204. doi: 10.1108/RPJ-01-2013-0012Nanofiber-reinforced polymers prepared by fused deposition modeling / M. L. Shofner, K. Lozano, F. J. Rodríguez-Macías, E. V. Barrera // J. of Applied Polymer Science. 2003. Vol. 89, № 11. P. 3081–3090. doi: 10.1002/app.12496Shofner M. L., Lozano K., Rodríguez-Macías F. J., Barrera E. V. Nanofiber-Reinforced Polymers Prepared by Fused Deposition Modeling. J. of Applied Polymer Science. 2003, vol. 89, no. 11, pp. 3081–3090. doi: 10.1002/app.12496Picaso 3D Designer Classic. URL: https://picaso-3d.ru/ru/products/printers/classic/ (дата обращения 14.09.2023)Picaso 3D Designer Classic. Available at: https://picaso-3d.ru/ru/products/printers/classic/ (accessed 14.09.2023)3D принтер. Hercules Strong. 2017. URL: https://drive.google.com/file/d/1k0Nj2tBegzr6Bj4vqHCTMxF8wr1mCenj/view?usp=sharing (дата обращения 28.12.2022)3D Printer. Hercules Strong. 2017. Available at: https://drive.google.com/file/d/1k0Nj2tBegzr6Bj4vqHCTMxF8wr1mCenj/view?usp=sharing (accessed 28.12.2022) (In Russ.)Influence of slicing tools on quality of 3D printed parts / F. Baumann, H. Bugdayci, J. Grunert, F. Keller, D. Roller // Computer-Aided Design & Applications. 2015. Vol. 13, № 1. P. 14–31. doi: 10.1080/16864360.2015.1059184Baumann F., Bugdayci H., Grunert J., Keller F., Roller D. Influence of Slicing Tools on Quality of 3D Printed Parts. Computer-Aided Design & Applications. 2015, vol. 13, no. 1. pp. 14–31. doi: 10.1080/16864360.2015.1059183Bryła J., Martowicz A. Study on the Importance of a Slicer Selection for the 3D Printing Process Parameters via the Investigation of G-Code Readings // Machines. 2021. Vol. 9. P. 163. doi: 10.3390/machines9080163Bryła J., Martowicz A. Study on the Importance of a Slicer Selection for the 3D Printing Process Parameters via the Investigation of G-Code Readings. Machines. 2021, vol. 9, p. 163. doi: 10.3390/machines9080163ГОСТ 26246.5–89 (МЭК 249-2-5-87). Материал электроизоляционный фольгированный нормированной горючести для печатных плат на основе стеклоткани, пропитанной эпоксидным связующим. Технические условия. М.: ИПК Изд-во стандартов, 2002. 7 с.GOST 26246.5–89 (МЭК 249-2-5-87). Epoxide-impregnated glass fabric foil-clad electrical insulating material of rated combustibility for printed plates. Specifications. Moscow, IPK Izdatelstvo Standartov, 2002, 7 p. (In Russ.)Проблемы качества 3D-печати. URL: https://3dpt.ru/page/faq (дата обращения 21.03.2023)3D Printing Quality Problems. Available at: https://3dpt.ru/page/faq (accessed 21.03.2023) (In Russ.)Analyzing the effect of nozzle diameter in fused deposition modeling for extruding polylactic acidusing open-source 3D printing / N. A. Sukindara, M. Ariffinb, B. Baharudinb, C. Jaafarb, M. Ismail // J. Teknologi. 2016. Vol. 78, № 10. P. 7–15. doi: 10.11113/jt.v78.6265Sukindara N. A., Ariffinb M., Baharudinb B., Jaafarb C., Ismail M. Analyzing the Effect of Nozzle Diameter in Fused Deposition Modeling for Extruding Polylactic Acid Using Open-Source 3D Printing. J. Teknologi. 2016, vol. 78, no. 10, pp. 7–15. doi: 10.11113/jt.v78.6265

The authors declare that there are no conflicts of interest present.