Designphase – Mechanik des Deckelbaus Teil 1

Willkommen zurück beim Open-Source-Laptop-Projekt! In diesem Update werden wir uns mit dem mechanischen Design des Laptopdeckels beschäftigen. Zuvor haben wir untersucht, welche Display-Panels verfügbar sind und welches am besten für unsere Anwendung geeignet wäre. Unsere Suche war erfolgreich, ebenso wie der Test des Panels! Jetzt beginnt der schwierige Teil: alles in ein System zu integrieren, das nicht nur robust und funktional ist, sondern auch gut aussieht.

Obwohl der Titel dieses Updates Mechanik der Deckelmontage lautet, wird die Grenze zwischen elektrischem und mechanischem Design ziemlich verschwimmen, wie Sie gleich sehen werden. Das liegt jedoch in der Natur eines solchen Projekts. Viele Entscheidungen von der mechanischen Seite haben einen direkten Einfluss auf das elektrische Design und umgekehrt. Natürlich müssen wir beide Seiten gleichzeitig betrachten.

Revision 1.0 der Webcam-Platine

Material und Herstellungsverfahren

Eine der ersten Fragen, die wir beantworten müssen, ist, welches Material verwendet werden soll und wie der Deckel hergestellt wird. Dies hat einen direkten Einfluss auf die Formen, die wir in den Deckel modellieren können, und die damit verbundenen Kosten. Der letzte Punkt ist besonders wichtig, da wir zum Zeitpunkt der Abfassung dieses Textes kein Produkt in sehr hoher Stückzahl betrachten. Dies begrenzt die Auswahl der Fertigungstechniken, da Verfahren mit hohen Werkzeugkosten derzeit keine Option sind. Blechumformungsprozesse und jegliche Art von Gießtechniken kommen daher nicht in Frage. Beide Fertigungstechniken erfordern entweder teure Formen oder Stanzwerkzeuge, die bei geringeren Mengen nicht kosteneffektiv sind.

Die einzige verbleibende Option, die auch eine moderne und robuste Optik und Haptik bietet, ist die Fertigung des Deckels aus einem massiven Aluminiumblock. CNC-gefräste Prototypen sind relativ preiswert und haben eine kurze Vorlaufzeit. Die damit verbundenen Einrichtungskosten für gefräste Teile sind aufgrund moderner CAM-Programme, die die Programmierung der Maschinen bis zu einem gewissen Grad automatisieren können, recht moderat.

Da bekannt ist, dass die CNC-Bearbeitung das Fertigungsverfahren der Wahl sein wird, können wir mit der 3D-Modellierung fortfahren.

3D-Modellierung des Deckels

Wir beginnen mit der Integration des Display-Panels. Zu diesem Zweck können wir die 3D-STEP-Datei des Panels und der Montagehalterungen verwenden, die von Framework bereitgestellt werden:

https://github.com/FrameworkComputer/Framework-Laptop-13/tree/main/Display

Zu Beginn ist die Grundform des Deckels lediglich ein Rechteck mit abgerundeten Ecken und einer Aussparung für das Displaypanel:

Grundform des Laptopdeckels

Da das gesamte Teil aus einem einzigen Aluminiumblock gefertigt wird, können wir bereits alle notwendigen Merkmale für die Montage des Displays entwerfen. Dank der vorinstallierten Halterungen am Display müssen wir nur ein M2-Innengewinde und einen Ausrichtungsstift bereitstellen, um das Panel zu montieren.

Die Höhe der Abstandshalter wird so gewählt, dass das Panel nicht flach auf dem Aluminiumtablett liegt. Stattdessen gibt es einen 1mm Spalt zwischen dem Panel und dem Deckeltablett. Dies ist ein sehr wichtiges Designmerkmal, das sicherstellt, dass die empfindliche Rückseite des Panels niemals direkten Kontakt mit dem Aluminiumtablett hat, da es sich biegt, wenn der Deckel geöffnet wird.

Biegung des Laptopdeckels

Warum sollte sich der Laptopdeckel überhaupt biegen, ist es nicht das Designziel, einen dünnen, aber robusten Deckel zu schaffen, der das Displaypanel schützt und sich während der Nutzung nicht biegt?

Obwohl dies der ideale Fall sein mag, müssen wir in der Realität einen guten Kompromiss zwischen Gewicht, Dicke und Steifigkeit finden. Wir könnten einen sehr robusten Deckel konstruieren, der sich überhaupt nicht biegt, aber das würde eine hohe Materialdicke erfordern, was zu einer insgesamt erhöhten Dicke des gesamten Laptops führt und auch viel Gewicht hinzufügt. Wir möchten den Deckel so dünn und leicht wie möglich machen, während wir die Durchbiegung unter Kontrolle halten.

Wir können die ideale Materialdicke annähern, indem wir einige Elastizitätssimulationen an unserem CAD-Modell durchführen. Da wir die ungefähre Kraft kennen, die zum Öffnen des Laptops angewendet werden muss, können wir diese als Simulationseingabe verwenden, um die Durchbiegung des Deckels zu berechnen. Da wir noch nicht wissen, wie das Deckglas montiert wird, wird es nicht Teil der Simulation sein.

Illustration der Durchbiegung des Deckels beim Öffnen des Laptops an nur einer Ecke

Integration der Webcam-Platine

Mit dem Display-Panel an seinem Platz und der korrekten Materialstärke ermittelt, können wir beginnen darüber nachzudenken, wie wir das Webcam-PCB integrieren möchten. Wie bei den meisten Laptops sitzt die Webcam in unserem System zentriert über dem Bildschirm im Bildschirmrahmen. Dies ist die intuitivste Platzierung für die Webcam, lässt aber nur einen kleinen Spalt zwischen dem Panel und dem Deckel, mit dem wir arbeiten können.

Bevor wir mit dem Entwurf beginnen und die Webcam sowie die umgebenden Funktionsblöcke im CAD-Modell platzieren, müssen wir uns zunächst genauer ansehen, welche Komponenten sich auf dem Webcam-Board befinden und was wir bei der Installation berücksichtigen müssen. Das folgende Diagramm zeigt, dass wir neben der Webcam noch viele weitere Funktionsblöcke haben, die auf dem Webcam-Board platziert werden:

Illustration der auf dem Webcam-Board platzierten Funktionsblöcke

Hier wird es etwas knifflig, wenn es um die Integration des Webcam-PCBs geht. Wir müssen die Platzierung von vier großen Funktionsblöcken auf dem Webcam-PCB herausfinden. Nur einer dieser Blöcke kann aus mechanischer Sicht an unsere Bedürfnisse angepasst werden, und das sind die Touchpads zum Aktivieren und Deaktivieren der datenschutzkritischen Funktionen. Die anderen drei Funktionsblöcke bestehen hauptsächlich aus einzelnen Komponenten, wie dem Umgebungslichtsensor. Lassen Sie uns einen kurzen Blick auf die einzelnen Komponenten werfen, um die teilespezifischen mechanischen Designanforderungen hervorzuheben.

Umgebungslichtsensor

Der Umgebungslichtsensor von Vishay Semiconductors ist ein VEML3235. Er kommt in einem kleinen 2,0mm x 2,0mm x 0,87mm Kunststoffgehäuse mit transparentem Deckel: https://www.vishay.com/en/product/80131/.

Nahaufnahme des Umgebungslichtsensors VEML3235

Der optische Sensor des Chips sitzt fast zentriert im Gehäuse. Damit der Lichtsensor auch bei niedrigen Umgebungslichtpegeln korrekt funktioniert, ist es notwendig, ihn so nah wie möglich an einem Sichtfenster im Deckglas zu platzieren. Die Anwendungsnotiz für den VEML3235 zeigt uns, wie wir die Fenstergröße abhängig vom Abstand des Bauteils zum Sichtfenster berechnen können. Die wichtigste Erkenntnis für uns ist, dass wir den Sensor so nah wie möglich an der Unterseite des Deckglases positionieren müssen. Wenn wir mit dem Entwurf des Drucks für das Deckglas beginnen, müssen wir zur Anwendungsnotiz zurückkehren und die richtige Größe des Sichtfensters planen.

Screenshot der Integrationsanwendungsnotiz für den VEML3235

Doppelte MEMS-Mikrofone

Das in unserem System verwendete Mikrofon ist ein Knowles SPK0641HT4H-1. Zwei Mikrofone werden links und rechts von der Kamera verwendet, um Stereoton aufzunehmen. Die Montagesituation für diese beiden Mikrofone ist ähnlich wie beim Umgebungslichtsensor. Wir möchten die Mikrofonöffnungen so nah wie möglich an der entsprechenden Öffnung im Deckglas platzieren. Wir möchten auch einen Schaumstoffdichtung um das Mikrofon legen, um eine „Führung“ zwischen der Öffnung im Deckglas und dem Mikrofon zu schaffen, aber das wird Teil der nächsten Revision des Mikrofonboards sein.

MEMS-Mikrofon Knowles SPK0641HT4H-1

Webcam-Kamerasensor

Zuletzt, aber definitiv nicht weniger wichtig, haben wir den OmniVision OV2740 Webcam-Bildsensor. Der Bildsensor selbst ist nur ungefähr 0,8mm dick. Viel interessanter für uns ist jetzt die Gesamthöhe des Sensors plus der Mikrolinsenbaugruppe, die auf dem Sensor sitzen wird. Es gibt einige verfügbare Linsentypen, aber die meisten sind etwa 4mm hoch. Das bedeutet, dass der Bildsensor mindestens 4mm plus einem gewissen Spielraum von der Unterseite des Deckglases entfernt sein muss.

OmniVision OV2740 Bildsensor

Webcam-Leiterplatte

Wir stehen nun vor der Herausforderung, mehrere Komponenten mit unterschiedlichen Höhenanforderungen auf einer einzigen PCB unter dem Deckglas unterzubringen. Es gibt mehrere Möglichkeiten, dies mechanisch und elektrisch zu bewerkstelligen. Wir werden mindestens zwei Ansätze mit zwei Revisionen der Kameraleiterplatte untersuchen. Eine Möglichkeit besteht darin, eine flexible PCB mit verschiedenen Versteifungstypen und -dicken zu verwenden.

Mehrere Versteifungsdicken erzeugen eine Platine mit mehreren Höhenniveaus

Wir werden uns den PCB selbst im elektrischen Design-Teil des Deckels genauer ansehen. Für jetzt konzentrieren wir uns darauf, wie die Webcam-PCB montiert wird. Der mittlere Abschnitt der Platine verwendet einen 0,2 mm dicken Edelstahlversteifer. Dieser mittlere Abschnitt enthält den Bildsensor und einen Board-zu-Board-Steckverbinder, um die Webcam mit dem Hauptboard zu verbinden. Durch die geringe Dicke des Versteifers können wir die 4 mm Höhenanforderung des Kameraobjektivs erfüllen, indem wir diesen Abschnitt in eine kleine, in den Laptopdeckel gefräste Tasche einsetzen.

Im Bild unten können Sie zwei kleine Ausrichtungsstifte sehen, die in die Kameratasche gefräst wurden. Diese passen in die zwei kleinen Löcher nahe der linken und rechten Kante des Edelstahlversteifers. Diese Stifte stellen sicher, dass die Platine und insbesondere das Kameraobjektiv zum Betrachtungsfenster im Deckglas ausgerichtet sind.

Webcam-PCB mit Ausrichtungslöchern

Das obige Bild könnte bereits andeuten, wie das gesamte Board im System montiert wird. Aber wir müssen trotzdem sicherstellen, dass der mittlere Abschnitt der Leiterplatte bündig in der gefrästen Tasche sitzt und sich bei starker Vibration oder Schock nicht verschiebt oder sogar über die Ausrichtungsstifte springt.

Diese und viele weitere Fragen werden im nächsten Update beantwortet! Wir müssen noch einige Herausforderungen im mechanischen Design des Deckels bewältigen, bevor wir zum elektrischen Design übergehen können. Ich hoffe, Sie bleiben auch für die nächsten Updates dabei!