Fase de Concepto – Diseño CAD Inicial

Esta entrega del registro de desarrollo del proyecto de laptop de código abierto te guiará a través de la fase inicial de concepto y lluvia de ideas. El primer paso es recopilar las ideas y requisitos para el dispositivo final y condensarlos lo mejor posible en un borrador simplificado. No es importante en esta etapa prestar demasiada atención a los detalles técnicos, se trata de establecer una base, es decir, crear un marco que pueda subdividirse y refinarse en pasos posteriores.

Comencemos. (Necesitarás un bolígrafo y un papel).

Definir los requisitos

Escribe los requisitos funcionales y estéticos del sistema para facilitar la visualización en el siguiente paso y proporcionar una base para una especificación de producto temprana. En un entorno corporativo, los requisitos están impulsados por la investigación de mercado y el análisis de la demanda.

Dado que este proyecto es el primero de su tipo, no puedo confiar en la retroalimentación de los clientes o en un profundo entendimiento del mercado de laptops. Los criterios de diseño para la laptop propuesta están impulsados principalmente por ideas personales, experiencias e investigación.

Los siguientes puntos son aspectos técnicos clave que me gustaría ver reflejados en el sistema final:

• Factor de forma delgado y ligero;

• Peso inferior a 1.6kg;

• Grosor total inferior a 20mm para 13”;

• Factor de forma;

• No necesitar dongles/adaptadores USB-C en casos de uso cotidianos;

• Al menos tres puertos USB-A de tamaño completo con al menos un puerto en cada lado de la Laptop;

• Puerto HDMI de tamaño completo Jack de auriculares de 3.5mm;

• Ranura para tarjeta SD de tamaño completo Carga a través de USB-C con puertos capaces de cargar en ambos lados;

• Teclado mecánico y modular que se puede cambiar fácilmente por diferentes o personalizados diseños;

• Trackpad multitáctil Webcam y Micrófono que se pueden habilitar/deshabilitar en hardware;

• Funcionalidad WiFi y Bluetooth;

• Al menos 350 nits de brillo de pantalla;

• Ángulo de apertura de la tapa de al menos 140°;

• No hay entrada de aire para enfriamiento en la parte inferior del dispositivo;

• Fácil de reparar y actualizar componentes como batería, pantalla, memoria, almacenamiento, tarjeta WiFi/Bluetooth y placa base;

• CPU x86 más reciente;

• Buen rendimiento con Win10/Win11;

• Carcasa completa o parcial de aluminio para un aspecto y sensación premium y buena rigidez.

Faltan algunos parámetros importantes en la lista anterior. Estos parámetros son de menor prioridad y se abordarán durante las próximas etapas de concepto y diseño. Aunque lo anterior debería reflejar un sistema ideal sin poner demasiado énfasis en los detalles técnicos, todavía hay algunas limitaciones estrictas impuestas al proyecto por su naturaleza de código abierto.

Muchas partes y la documentación asociada, especialmente en la industria de la electrónica de consumo, solo están disponibles bajo estrictos acuerdos de no divulgación (NDA) y contratos OEM. Especificar estas partes y los parámetros conectados de antemano es inútil sin antes explorar qué opciones están disponibles para un proyecto de hardware abierto. Gran parte de esta exploración se llevará a cabo en paralelo a este proyecto para no causar demasiado retraso.

El primer modelo CAD

Crear una representación visual al principio de la fase de concepto ayuda a avanzar el proceso creativo. Un modelo CAD preliminar también ayuda a identificar los principales desafíos de diseño que requerirán tiempo y atención en los próximos pasos. Utilizo el modelador directo Spacelcaim Engineer para crear mis bocetos de etapas iniciales y modelos CAD de producción.

Con la lista de requisitos en mente, he descargado una selección de modelos CAD 3D de los conectores que serían adecuados para la aplicación en la laptop. Estos modelos CAD están disponibles en el sitio web de los proveedores de partes.

Para el primer boceto, busqué a través del catálogo en línea y la biblioteca de modelos 3D de los siguientes fabricantes:

• Würth Elektronik;

• Molex;

• TE Connectivity;

• Amphenol CS;

• ACES Electronics;

• LOTES CO.,LTD;

• GCT.

Colocación y espaciado de conectores

Colocar los conectores y las correspondientes aberturas en el lado de la laptop parece bastante fácil, ¿verdad?

Las interfaces necesarias se especificaron en la lista de requisitos, ahora solo es cuestión de organizarlas de manera uniformemente espaciada y fácilmente accesible, al menos esa era la idea.

Comienza con el paso más fácil para determinar qué interfaces van en la parte trasera y cuáles conectores se organizan más hacia el frente de la laptop. La razón por la que sigo con esta tarea es para organizar todas las interfaces “estáticas” que se conectan una o dos veces durante un solo ciclo de uso hacia la parte trasera de la laptop. Esto es para que no tengas ningún cable en el camino al conectar algo como una memoria USB, lo cual puede suceder fácilmente varias veces durante el uso. Desconectar accidentalmente cables porque una memoria USB se enganchó en un filtro de ferrita o un escenario similar se puede evitar fácilmente si todos los cables “estáticos” se organizan hacia la parte trasera del dispositivo.

Primero en la lista de conexiones “estáticas” están los conectores USB-C que probablemente se usen para cargar o para conectarse a una estación de acoplamiento. En ambos escenarios, estas interfaces se conectan una vez cuando comienzas a usar el dispositivo.

Segundo en esa lista es el conector HDMI. Sin una estación de acoplamiento, el conector HDMI probablemente será parte de una configuración permanente que no necesita conectarse múltiples veces durante un solo uso. Los puertos USB-A o la ranura para tarjetas SD probablemente se usarán varias veces durante una sola sesión, por lo que se organizan hacia el frente de la laptop donde los dispositivos conectados no interfieren con los cables de carga o de pantalla.

Disposición de conectores en una versión posterior del modelo CAD

Ahora es el momento de decidir qué tan separados deben estar los conectores entre sí. La razón por la que esto es importante se resume más fácilmente en una imagen que muestra una situación familiar para cualquiera que lea esto:

Esta situación puede ser muy molesta. Por supuesto, estas colisiones típicamente aparecen en constelaciones que no se pueden resolver simplemente cambiando los cables a otros puertos. En el ejemplo anterior, o funciona la memoria USB o la pantalla, pero nunca ambas.

Se podría argumentar que esta situación es poco probable que aparezca, especialmente porque el ejemplo mostrado utiliza dos extremos de conectores muy grandes. Si bien eso podría ser cierto, también se podría argumentar que solo se necesita un minuto con tu colección privada de cables USB y los que podrías estar usando en tu trabajo diario para encontrarte con un problema como el mostrado arriba. Esta podría ser una situación que no es tan rara después de todo.

Con tal variedad de sobremoldeados de conectores y carcasas disponibles en el mercado, uno podría pensar que es una buena idea especificar las dimensiones máximas de estas características mecánicas críticas. No solo para USB Tipo A sino también para USB-C, HDMI, DisplayPort, y así sucesivamente.

Al consultar la biblioteca de documentos en USB.org, podemos encontrar un tipo de documento llamado "Especificación de Cable y Conector". Estos documentos están disponibles tanto para cables USB Tipo-C como para cables USB Tipo-A. Parte de las especificaciones mecánicas son las dimensiones máximas de sobremoldeo que se deben usar para los conectores correspondientes. En una interfaz USB Tipo-A, el ancho máximo de sobremoldeo debe ser igual o menor a 16mm.

Sin embargo, muchos fabricantes no siguen esa recomendación, lo que dificulta un poco especificar un espaciado de conector de manera correcta.

Dado que seguir un documento de especificación no era una opción, opté por adquirir un conjunto de muestras más grande de cables USB físicos y modelos 3D de cables USB. Luego, medí manualmente las dimensiones máximas.

Hay una gran comunidad de ingenieros y diseñadores allí afuera—por ejemplo, en 3DcontentCentral o GrabCad—que comparten sus impresionantes modelos 3D. Revisé estas bibliotecas así como sitios web de fabricantes en busca de modelos 3D de todo tipo de conectores y cables que fueran adecuados para mi aplicación. Luego, fusioné todos estos conjuntos de datos en un único archivo CAD junto con las mediciones manuales. El resultado fue una caja delimitadora máxima para cada conector de acoplamiento de interfaces utilizadas en el proyecto del portátil.

Con este enfoque, tengo bastante confianza en no encontrarme con el problema de colisiones entre conectores vecinos.

Captura de pantalla del modelo de caja delimitadora creado a partir de modelos 3D y mediciones manuales

Volviendo al modelo 3D conceptual del portátil en sí. He organizado los conectores de una manera que sigue el sistema descrito anteriormente. La siguiente captura de pantalla muestra la primera iteración de la colocación de los conectores. Note que el espaciado entre estos conectores es aún demasiado pequeño. Esto se actualizó más tarde en el diseño mecánico.

Primer modelo CAD del concepto de portátil

Con la posición ideal de las interfaces externas en su lugar, comencé a organizar los componentes clave internos para evaluar cuánto espacio está disponible. Al hacerlo, intenté identificar qué componentes son críticos para determinar la altura del sistema final. Otro aspecto importante que quería averiguar durante la etapa de concepto era qué opciones están disponibles para crear una solución de enfriamiento que no aspire aire frío desde la parte inferior del sistema.

En esta etapa, todavía dependo principalmente de modelos CAD de los fabricantes para mantener el tiempo de diseño al mínimo. Los modelos 3D utilizados no necesariamente reflejan la parte final, sino que actúan como un marcador de posición o ayuda visual para el modelado del concepto 3D.

Organizar aproximadamente los componentes internos del portátil resultó en el siguiente modelo CAD:

Captura de pantalla del modelo CAD mostrando la disposición aproximada de los componentes internos

En el boceto anterior, se muestra un PCB verde en la esquina delantera derecha del dispositivo con cuatro conectores SMA sobresaliendo del lado del portátil. Quería explorar la idea de proporcionar una ranura vacía que se pueda usar para proyectos de electrónica personalizados. Debido a la complejidad adicional y los requisitos de espacio añadidos, lamentablemente tuve que omitir este enfoque en los siguientes pasos. Sin embargo, hay un remedio que permitirá personalizaciones de diferentes maneras—¡más sobre eso en la próxima actualización!

El teclado

Ahora, todo lo que falta para finalizar el borrador de la mitad inferior del portátil es un teclado mecánico. Un teclado mecánico viene con varias ventajas que lo hacen atractivo para usar en este proyecto:

• Mejora en apariencia y sensación / experiencia de escritura que un teclado de membrana;

• Varias variantes de interruptores disponibles;

• Más fácil de personalizar y reparar;

• Fácil de prototipar.

Las desventajas incluyen:

• Costoso;

• Requisitos de espacio añadido debido al grosor adicional asociado con un mayor recorrido del interruptor.

Tanto Cherry MX como Kailh tienen en su línea de productos un interruptor de tecla SMD de perfil ultra bajo que sería adecuado para esta aplicación. La altura total del interruptor es de 3.5mm en estado no accionado. La tecla en sí añade otros 0.6mm de altura. Con el grosor del PCB del teclado de 1.2mm, el ensamblaje del teclado utiliza 5.3mm en el eje Z. La mayoría de los portátiles delgados y ligeros de 13” en el mercado tienen un grosor de alrededor de 15mm. El ensamblaje del teclado solo ocuparía un tercio del espacio disponible en la dimensión Z en nuestro caso. Integrar la electrónica necesaria debajo del teclado será un gran desafío de diseño.

Avanzando con un modelo 3D representativo del interruptor de tecla, se realizó el primer borrador del teclado y se integró en el borrador del sistema:

Vista superior del borrador del modelo CAD

La vista transparente de la carcasa del portátil muestra los principales componentes que forman parte del borrador hasta ahora. Cuatro celdas de batería LiPo con 13,3Wh están colocadas debajo del trackpad. Al lado derecho, junto al sistema de batería, se ha asignado espacio para la bahía de expansión de electrónica personalizada.

El espacio debajo del teclado está ocupado por la placa base y por el enfriador de la CPU.

Vista de alambre del borrador del modelo CAD

La pantalla

Para completar el borrador del sistema, lo único que falta es la tapa del portátil y el panel de la pantalla. En el primer borrador decidí por un panel con resolución de 1920x1080. Hay muchos paneles disponibles con esa resolución y factores de forma similares a un precio bajo. Esto facilita la búsqueda de un panel de reemplazo o el cambio de fabricante del panel en caso de que un panel se descontinúe. Una relación de aspecto de 16:9 no es ideal para una aplicación de dispositivo móvil, razón por la cual este panel fue reemplazado más tarde en el proceso por una pantalla de mayor resolución de 3:2.

El panel que seleccioné como representación mecánica fue un Innolux N133HCG-G52. La hoja de datos de este panel fue fácil de encontrar y el factor de forma de este panel es bastante popular. He modelado un modelo 3D representativo según el dibujo de la hoja de datos del panel:

Captura de pantalla mostrando el modelo 3D del panel de visualización con una superposición del dibujo mecánico

Juntando todo

Ahora que los bocetos están disponibles para la mayoría de los subcomponentes, podemos juntar todo y visualizar el primer borrador.

Para ese propósito, estoy usando Blender 3D. Blender es una herramienta gratuita y de código abierto utilizada para modelado 3D, renderización, animación, edición de video y mucho más. El potente motor de renderizado basado en nodos dentro de Blender permite configuraciones fáciles de renderizados de productos o visualización de conceptos.

Exportar el concepto mecánico del portátil en un formato .OBJ nos permite importar estos datos CAD a Blender. Un archivo de biblioteca de materiales con la extensión .MTL se crea junto al archivo Objeto al exportar. Este archivo de biblioteca de materiales es utilizado por Blender para asignar materiales predeterminados a los objetos de malla importados. Estos materiales predeterminados pueden ser modificados para representar la apariencia deseada del objeto asociado.

Asignando los materiales correspondientes, se termina la primera visualización del borrador del concepto:

Primer borrador renderizado del concepto de portátil mostrando el teclado y la pantalla

Primer borrador renderizado del concepto de portátil mostrando la parte trasera de la tapa

¡Esto concluye la configuración del primer borrador mecánico del proyecto de portátil de código abierto!

Utilizaremos este modelo CAD como punto de partida para las próximas iteraciones de diseño que tomarán en consideración todos los aspectos técnicos que intencionalmente pasamos por alto en esta primera fase.

En esta primera fase de borrador, pudimos extraer alguna información importante:

• El espacio debajo del teclado es muy limitado. En el primer modelo CAD de borrador solo hay aproximadamente 3 - 4mm de espacio utilizable con el que podemos trabajar;

• Los conectores colocados en el lado del portátil no pueden sobresalir más de 15mm hacia el interior del portátil, de lo contrario, colisionarán con el ensamblaje del teclado. Esto pone algunas limitaciones en los tipos de conectores y montajes que se pueden usar;

• Los altavoces solo se pueden implementar a la derecha e izquierda de la batería con la salida acústica hacia el lado o fondo del portátil;

• Se crearon modelos de colisión de conectores para todas las interfaces utilizadas en el portátil.

Con el borrador inicial fuera del camino, podemos sumergirnos en aspectos más técnicos de todo el diseño.

Estén atentos para la próxima fase, donde echaremos un vistazo más de cerca a la construcción real del portátil, así como algunas herramientas de simulación muy útiles que podemos usar para evaluar la integridad mecánica del diseño.