Konzeptphase – Erstes CAD-Design

Diese Ausgabe des Entwicklungsprotokolls zum Open-Source-Laptop-Projekt führt Sie durch die frühe Konzept- und Brainstorming-Phase. Der erste Schritt besteht darin, die Ideen und Anforderungen für das Endgerät zu sammeln und so gut wie möglich in einen vereinfachten Entwurf zu verdichten. In dieser Phase ist es nicht wichtig, zu sehr auf die technischen Details zu achten – es geht darum, eine Grundlage zu schaffen, d.h. ein Rahmenwerk zu erstellen, das in weiteren Schritten unterteilt und verfeinert werden kann.

Lassen Sie uns beginnen. (Sie benötigen einen Stift und ein Stück Papier).

Anforderungen skizzieren

Schreiben Sie die funktionalen und ästhetischen Anforderungen des Systems auf, um die Visualisierung im nächsten Schritt zu erleichtern und eine Basis für eine frühe Produktspezifikation zu bieten. In einem Unternehmensumfeld werden die Anforderungen durch Marktforschung und Bedarfsanalyse getrieben.

Da dieses Projekt das erste seiner Art ist, kann ich mich nicht auf Kundenfeedback oder ein tiefes Verständnis des Laptop-Marktes verlassen. Die Designkriterien für den vorgeschlagenen Laptop basieren größtenteils auf persönlichen Ideen, Erfahrungen und Recherchen.

Die folgenden Punkte sind Schlüsselaspekte der Technik, die ich im finalen System gerne umgesetzt sehen würde:

• Dünner und leichter Formfaktor;

• Gewicht unter 1,6kg;

• Gesamtdicke unter 20mm bei 13 Zoll;

• Formfaktor;

• Keine Notwendigkeit für USB-C-Dongles/Adapter bei alltäglichen Anwendungsfällen;

• Mindestens drei vollwertige USB-A-Anschlüsse mit mindestens einem Anschluss auf jeder Seite des Laptops;

• Vollwertiger HDMI-Anschluss 3,5mm Kopfhöreranschluss;

• Vollwertiger SD-Kartensteckplatz Laden über USB-C mit ladefähigen Anschlüssen auf beiden Seiten;

• Mechanische und modulare Tastatur, die leicht gegen verschiedene oder benutzerdefinierte Layouts ausgetauscht werden kann;

• Muli-Touch-Trackpad Webcam und Mikrofon, die in der Hardware aktiviert/deaktiviert werden können;

• WiFi- und Bluetooth-Funktionalität;

• Mindestens 350 Nits Bildschirmhelligkeit;

• Öffnungswinkel des Deckels mindestens 140°;

• Kein Lufteinlass für die Kühlung auf der Unterseite des Geräts;

• Einfach zu reparierende und aufzurüstende Komponenten wie Akku, Bildschirm, Speicher, Speicherplatz, WiFi/Bluetooth-Karte und Hauptplatine;

• Neuerer x86-CPU;

• Gute Leistung mit Win10/Win11;

• Vollständiges oder teilweises Aluminiumgehäuse für ein hochwertiges Aussehen und Gefühl sowie gute Steifigkeit.

Einige wichtige Parameter fehlen in der obigen Liste. Diese Parameter haben eine niedrigere Priorität und werden in den nächsten Konzept- und Designphasen behandelt. Obwohl das Obige ein ideales System ohne zu viel Betonung auf die technischen Details widerspiegeln sollte, gibt es dennoch einige harte Einschränkungen für das Projekt durch seine Open-Source-Natur.

Viele Teile und die zugehörige Dokumentation – insbesondere in der Unterhaltungselektronikindustrie – sind nur unter strengen NDAs und OEM-Verträgen verfügbar. Diese Teile und die verbundenen Parameter im Voraus zu spezifizieren, ist zwecklos, ohne zuerst zu erkunden, welche Optionen für ein Open-Hardware-Projekt verfügbar sind. Ein Großteil dieser Erkundung wird parallel zu diesem Projekt stattfinden, um nicht zu viel Verzögerung zu verursachen.

Das erste CAD-Modell

Eine visuelle Darstellung früh in der Konzeptphase zu erstellen, hilft, den kreativen Prozess voranzutreiben. Ein vorläufiges CAD-Modell hilft auch, wichtige Designherausforderungen zu identifizieren, die im nächsten Schritt Zeit und Aufmerksamkeit erfordern werden. Ich verwende den direkten Modellierer Spacelcaim Engineer, um meine frühen Skizzen und Produktions-CAD-Modelle zu erstellen.

Mit der Anforderungsliste im Hinterkopf habe ich eine Auswahl an 3D-CAD-Modellen der Steckverbinder heruntergeladen, die für die Laptop-Anwendung geeignet wären. Diese CAD-Modelle sind auf der Website des Teileherstellers verfügbar.

Für die erste Skizze habe ich den Online-Katalog und die 3D-Modellbibliothek der folgenden Hersteller durchsucht:

• Würth Elektronik;

• Molex;

• TE Connectivity;

• Amphenol CS;

• ACES Electronics;

• LOTES CO.,LTD;

• GCT.

Platzierung und Abstand der Steckverbinder

Die Steckverbinder und die entsprechenden Ausschnitte an der Seite des Laptops zu platzieren, scheint einfach genug, oder?

Die benötigten Schnittstellen wurden in der Anforderungsliste spezifiziert, jetzt geht es nur noch darum, sie gleichmäßig verteilt und bequem zugänglich anzuordnen – zumindest war das die Idee.

Beginnen Sie mit dem einfacheren Schritt zu bestimmen, welche Schnittstellen hinten und welche Steckverbinder eher vorne am Laptop angeordnet werden. Der Grund, warum ich mit dieser Aufgabe fortfahre, ist, alle „statischen“ Schnittstellen, die einmal oder zweimal während eines einzigen Nutzungsvorgangs verbunden werden, nach hinten zu verlegen. Dies geschieht, damit Sie keine Kabel im Weg haben, wenn Sie etwas wie einen USB-Stick anschließen, was während der Nutzung leicht mehrmals passieren kann. Ein versehentliches Ausstecken von Kabeln, weil ein USB-Stick in einem Filterferrit oder einem ähnlichen Szenario hängen bleibt, kann leicht vermieden werden, wenn alle „statischen“ Kabel nach hinten am Gerät angeordnet sind.

An erster Stelle der Liste der „statischen“ Verbindungen stehen die USB-C-Anschlüsse, die höchstwahrscheinlich zum Laden oder zum Verbinden mit einer Dockingstation verwendet werden. In beiden Szenarien werden diese Schnittstellen verbunden, sobald Sie das Gerät in Gebrauch nehmen.

An zweiter Stelle dieser Liste steht der HDMI-Anschluss. Ohne eine Dockingstation wird der HDMI-Anschluss höchstwahrscheinlich Teil einer dauerhaften Einrichtung sein, die während einer einzelnen Nutzung nicht mehrfach verbunden werden muss. Die USB-A-Anschlüsse oder der SD-Karten-Slot werden wahrscheinlich mehrmals während einer einzigen Sitzung verwendet, daher sind sie an der Vorderseite des Laptops angeordnet, wo die angeschlossenen Geräte nicht mit Lade- oder Anzeigekabeln interferieren.

Anordnung der Anschlüsse in einer späteren Version des CAD-Modells

Jetzt ist es an der Zeit zu entscheiden, wie weit die Anschlüsse voneinander entfernt sein sollten. Der Grund, warum dies wichtig ist, lässt sich am einfachsten anhand eines Bildes zusammenfassen, das eine jedem Lesenden bekannte Situation zeigt:

Diese Situation kann sehr ärgerlich sein. Natürlich treten diese Kollisionen typischerweise in Konstellationen auf, die nicht einfach durch das Umstecken der Kabel in andere Ports gelöst werden können. Im obigen Beispiel funktioniert entweder der USB-Stick oder der Bildschirm – aber niemals beides.

Man könnte argumentieren, dass diese Situation unwahrscheinlich ist, insbesondere da das gezeigte Beispiel zwei Extreme von sehr großen Anschlüssen verwendet. Während das wahr sein mag, könnte man auch argumentieren, dass es nur eine Minute mit sowohl Ihrer privaten Sammlung von USB-Kabeln als auch denen, die Sie möglicherweise bei Ihrer täglichen Arbeit verwenden, dauert, um auf ein Problem wie das oben gezeigte zu stoßen. Dies könnte eine Situation sein, die gar nicht so selten ist.

Bei einer so großen Vielfalt an Steckerüberformungen und Gehäusen, die auf dem Markt erhältlich sind, könnte man denken, dass es eine gute Idee ist, die maximalen Abmessungen dieser kritischen mechanischen Merkmale zu spezifizieren. Nicht nur für USB Typ A, sondern auch für USB-C, HDMI, DisplayPort und so weiter.

Wenn man sich die Dokumentenbibliothek auf USB.org ansieht, findet man einen Dokumententyp namens „Kabel- und Steckerspezifikation“. Diese Dokumente sind sowohl für USB-Typ-C-Kabel als auch für USB-Typ-A-Kabel verfügbar. Teil der mechanischen Spezifikationen sind maximale Ummantelungsabmessungen, die für die entsprechenden Stecker verwendet werden sollten. Bei einer USB-Typ-A-Schnittstelle sollte die maximale Ummantelungsbreite gleich oder kleiner als 16mm sein.

Viele Hersteller halten sich jedoch nicht an diese Empfehlung, was es etwas schwieriger macht, den richtigen Steckerabstand zu spezifizieren.

Da das Befolgen eines Spezifikationsdokuments keine Option war, entschied ich mich dafür, eine größere Stichprobe von physischen USB-Kabeln und 3D-Modellen von USB-Kabeln zu beschaffen. Dann maß ich manuell die maximalen Abmessungen.

Es gibt eine große Gemeinschaft von Ingenieuren und Designern da draußen – zum Beispiel auf 3DcontentCentral oder GrabCad – die ihre fantastischen 3D-Modelle teilen. Ich durchsuchte diese Bibliotheken sowie Herstellerwebseiten nach 3D-Modellen aller Arten von Steckern und Kabeln, die für meine Anwendung passend sind. Dann fügte ich all diese Datensätze zusammen mit den manuellen Messungen in eine einzige CAD-Datei zusammen. Das Ergebnis war eine maximale Begrenzungsbox für jeden passenden Stecker der Schnittstellen, die im Laptop-Projekt verwendet wurden.

Mit diesem Ansatz bin ich ziemlich zuversichtlich, nicht auf das Problem von Kollisionen zwischen benachbarten Steckern zu stoßen.

Screenshot des erstellten Begrenzungsboxmodells aus 3D-Modellen und manuellen Messungen

Zurück zum konzeptionellen 3D-Modell des Laptops selbst. Ich habe die Stecker so angeordnet, dass sie dem oben beschriebenen System folgen. Der folgende Screenshot zeigt die erste Iteration der Steckerplatzierung. Beachten Sie, dass der Abstand zwischen diesen Steckern noch zu klein ist. Dies wurde später im mechanischen Design aktualisiert.

Erstes CAD-Modell des Laptopkonzepts

Mit der idealen Positionierung der externen Schnittstellen an ihrem Platz begann ich, die internen Schlüsselkomponenten anzuordnen, um zu beurteilen, wie viel Platz zur Verfügung steht. Dabei versuchte ich zu identifizieren, welche Komponenten entscheidend für die Bestimmung der Höhe des endgültigen Systems sind. Ein weiterer wichtiger Aspekt, den ich während der Konzeptphase herausfinden wollte, war, welche Optionen zur Verfügung stehen, um eine Kühlungslösung zu schaffen, die keine kühle Luft von unten in das System zieht.

In dieser Phase verlasse ich mich noch größtenteils auf CAD-Modelle der Hersteller, um die Designzeit minimal zu halten. Die verwendeten 3D-Modelle spiegeln nicht unbedingt das endgültige Teil wider, sondern dienen eher als Platzhalter oder visuelle Hilfe für die Modellierung des 3D-Konzepts.

Das grobe Anordnen der internen Komponenten des Laptops ergab das folgende CAD-Modell:

Screenshot des CAD-Modells, das die grobe Anordnung der internen Komponenten zeigt

In der obigen Skizze wird eine grüne Leiterplatte in der rechten vorderen Ecke des Geräts gezeigt, mit vier SMA-Anschlüssen, die aus der Seite des Laptops herausragen. Ich wollte die Idee erkunden, einen leeren Slot bereitzustellen, der für benutzerdefinierte Elektronikprojekte verwendet werden kann. Aufgrund der zusätzlichen Komplexität und des zusätzlichen Platzbedarfs musste ich diesen Ansatz in den nächsten Schritten leider auslassen. Es gibt jedoch eine Abhilfe, die Anpassungen auf unterschiedliche Weise ermöglichen wird – mehr dazu im nächsten Update!

Die Tastatur

Nun fehlt nur noch eine mechanische Tastatur, um den Entwurf der unteren Hälfte des Laptops abzuschließen. Eine mechanische Tastatur bietet mehrere Vorteile, die sie für dieses Projekt attraktiv machen:

• Verbessertes Aussehen und Gefühl / Schreiberlebnis im Vergleich zu einer Membrantastatur;

• Mehrere Varianten von Schaltern verfügbar;

• Einfacher zu individualisieren und zu reparieren;

• Einfach zu prototypisieren.

Nachteile beinhalten:

• Teuer;

• Zusätzlicher Platzbedarf aufgrund der zusätzlichen Dicke, die mit einem größeren Schalterweg verbunden ist.

Sowohl Cherry MX als auch Kailh haben in ihrem Produktangebot einen ultraniedrigen SMD-Tastenschalter, der für diese Anwendung geeignet wäre. Die Gesamthöhe des Schalters beträgt im nicht betätigten Zustand 3,5 mm. Die Tastenkappe selbst fügt weitere 0,6 mm Höhe hinzu. Mit der Dicke der Tastatur-PCB von 1,2 mm verwendet die Tastaturmontage 5,3 mm in der Z-Achse. Die meisten 13-Zoll dünnen und leichten Laptops auf dem Markt haben eine Dicke von etwa 15 mm. Die Tastaturmontage allein würde ein Drittel des verfügbaren Platzes in der Z-Dimension in unserem Fall einnehmen. Die Integration der notwendigen Elektronik unter der Tastatur wird eine große Designherausforderung sein.

Mit einem repräsentativen 3D-Modell des Tastenschalters wurde der erste Tastaturentwurf erstellt und in den Systementwurf integriert:

Oberansicht des CAD-Modellentwurfs

Die transparente Ansicht des Laptopgehäuses zeigt die wichtigsten Komponenten, die bisher Teil des Entwurfs sind. Vier LiPo-Batteriezellen mit 13,3Wh sind unter dem Trackpad platziert. Auf der rechten Seite neben dem Batteriesystem ist etwas Platz für die Erweiterungsbucht der kundenspezifischen Elektronik vorgesehen.

Der Platz unter der Tastatur wird vom Mainboard und vom CPU-Kühler eingenommen.

Drahtgitteransicht des CAD-Modellentwurfs

Der Bildschirm

Um den Systementwurf zu vervollständigen, fehlen nur noch der Laptopdeckel und das Displaypanel. Im ersten Entwurf habe ich mich für ein Panel mit einer Auflösung von 1920x1080 entschieden. Es gibt viele Panels mit dieser Auflösung und ähnlichen Formfaktoren zu einem niedrigen Preis. Dies erleichtert es, ein Ersatzpanel zu beschaffen oder den Panelhersteller zu wechseln, falls ein Panel eingestellt wird. Ein Seitenverhältnis von 16:9 ist nicht ideal für eine mobile Geräteanwendung, weshalb dieses Panel später im Prozess durch einen Bildschirm mit höherer Auflösung im 3:2-Format ersetzt wurde.

Das Panel, das ich als mechanische Darstellung ausgewählt habe, war ein Innolux N133HCG-G52. Das Datenblatt für dieses Panel war leicht zu finden und der Formfaktor dieses Panels ist ziemlich beliebt. Ich habe ein repräsentatives 3D-Modell entsprechend der Zeichnung im Datenblatt des Panels modelliert:

Screenshot, der das 3D-Modell des Anzeigepanels mit einer Überlagerung der mechanischen Zeichnung zeigt

Alles zusammenfügen

Jetzt, da Skizzen für die meisten Unterkomponenten verfügbar sind, können wir alles zusammenfügen und den ersten Entwurf visualisieren.

Zu diesem Zweck verwende ich Blender 3D. Blender ist ein kostenloses und Open-Source-Tool, das für 3D-Modellierung, Rendering, Animation, Videobearbeitung und vieles mehr verwendet wird. Der leistungsstarke, knotenbasierte Rendering-Engine in Blender ermöglicht einfache Produktrenderings oder Konzeptvisualisierungen.

Das Exportieren des mechanischen Konzepts des Laptops im .OBJ-Format ermöglicht es uns, diese CAD-Daten in Blender zu importieren. Eine Materialbibliotheksdatei mit der Erweiterung .MTL wird zusammen mit der Objektdatei beim Export erstellt. Diese Materialbibliotheksdatei wird von Blender verwendet, um den importierten Mesh-Objekten Standardmaterialien zuzuweisen. Diese Standardmaterialien können modifiziert werden, um das gewünschte Aussehen des zugehörigen Objekts darzustellen.

Nachdem die entsprechenden Materialien zugewiesen wurden, ist die erste Visualisierung des Konzeptentwurfs abgeschlossen:

Erster gerendeter Entwurf des Laptopkonzepts, der die Tastatur und den Bildschirm zeigt

Erster gerendeter Entwurf des Laptopkonzepts, der die Rückseite des Deckels zeigt

Damit ist die Einrichtung des ersten mechanischen Entwurfs des Open-Source-Laptop-Projekts abgeschlossen!

Wir werden dieses CAD-Modell als Ausgangspunkt für die kommenden Designiterationen nutzen, die alle technischen Aspekte berücksichtigen werden, die wir in dieser ersten Phase bewusst außer Acht gelassen haben.

In dieser ersten Entwurfsphase konnten wir einige wichtige Informationen gewinnen:

• Der Platz unterhalb der Tastatur ist sehr begrenzt. Im ersten Entwurf des CAD-Modells gibt es nur etwa 3 - 4mm nutzbaren Raum, mit dem wir arbeiten können;

• An der Seite des Laptops platzierte Anschlüsse dürfen nicht mehr als 15mm in den Laptop hineinragen, da sie sonst mit der Tastatureinheit kollidieren würden. Dies setzt einige Einschränkungen für die Art der Anschlüsse und Montage;

• Lautsprecher können nur rechts und links vom Akkupack implementiert werden, mit dem akustischen Ausgang zur Seite oder Unterseite des Laptops;

• Kollisionsmodelle für Anschlüsse wurden für alle Schnittstellen erstellt, die am Laptop verwendet werden.

Mit dem ersten Entwurf aus dem Weg, können wir uns tiefer in die technischen Aspekte des gesamten Designs vertiefen.

Bleiben Sie dran für die nächste Phase, in der wir uns genauer mit dem tatsächlichen Aufbau des Laptops sowie einigen sehr hilfreichen Simulationstools befassen werden, die wir nutzen können, um die mechanische Integrität des Designs zu bewerten.