Fase de Diseño – Mecánica de la Ensambladura de la Tapa Parte 1

¡Bienvenidos de nuevo al proyecto de la laptop de código abierto! En esta actualización vamos a profundizar en el diseño mecánico de la tapa de la laptop. Anteriormente, exploramos qué paneles de pantalla están disponibles y cuál sería el mejor ajuste para nuestra aplicación. Nuestra búsqueda fue exitosa, ¡así como las pruebas del panel! Ahora comienza la parte difícil: encajar todo en un sistema que no solo sea robusto y funcional, sino que también se vea bien.

Aunque el título de esta actualización es mecánica de ensamblaje de la tapa, la línea entre el diseño eléctrico y mecánico se va a difuminar bastante, como están a punto de ver. Sin embargo, esa es la naturaleza de este tipo de proyectos. Muchas decisiones del lado mecánico tienen una influencia directa en el diseño eléctrico y viceversa. Por supuesto, tenemos que mirar ambos lados al mismo tiempo.

Revisión 1.0 del PCB de la webcam

Material y método de fabricación

Una de las primeras preguntas que necesitamos responder es qué material usar y cómo fabricar la tapa. Esto tendrá un impacto directo en las formas que podemos modelar en la tapa y los costos asociados. El último punto es especialmente importante ya que no estamos viendo un diseño de producto de muy alto volumen en el momento de escribir. Esto limita la elección de técnicas de fabricación, ya que los procesos que involucran altos costos de herramientas actualmente no son una opción. Por lo tanto, los procesos de formación de metales en lámina y cualquier variante de técnicas de fundición están fuera de discusión. Ambas técnicas de fabricación requieren moldes caros o matrices de estampado que no son rentables para cantidades menores.

La única opción viable que queda y que también ofrece un aspecto y sensación modernos y robustos es mecanizar la tapa a partir de un bloque sólido de aluminio. Los prototipos mecanizados por CNC son relativamente económicos y tienen un corto plazo de entrega. Los costos de configuración asociados para las partes mecanizadas son bastante moderados debido a los modernos programas CAM que pueden automatizar la programación de las máquinas hasta cierto punto.

Sabiendo que el mecanizado CNC será el proceso de fabricación elegido, podemos proceder con el modelado 3D.

Modelado 3D de la tapa

Comenzaremos integrando primero el panel de la pantalla. Para ese propósito podemos usar el archivo STEP 3D del panel y los soportes de montaje proporcionados por Framework:

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

Para empezar, la forma básica de la tapa es simplemente un rectángulo con esquinas redondeadas y un espacio para el panel de visualización:

Forma básica de la tapa del portátil

Dado que toda la pieza se mecanizará a partir de un único bloque de aluminio, ya podemos diseñar todas las características necesarias para montar la pantalla. Gracias a los soportes preinstalados en la pantalla, solo necesitamos proporcionar un roscado interno M2 y un pasador de alineación para montar el panel.

La altura de los separadores se elige de modo que el panel no quede completamente plano sobre la bandeja de aluminio. En su lugar, hay un espacio de 1mm entre el panel y la bandeja de la tapa. Esta es una característica de diseño muy importante que asegura que la parte trasera sensible del panel nunca haga contacto directo con la bandeja de aluminio, ya que esta se flexiona al abrir la tapa.

Flexión de la tapa del portátil

¿Por qué se flexionaría la tapa del portátil de todos modos, no es el objetivo del diseño crear una tapa delgada pero robusta que proteja el panel de visualización y no se doble durante el uso?

Aunque ese pueda ser el caso ideal, en realidad tenemos que encontrar un buen compromiso entre peso, grosor y rigidez. Podríamos construir una tapa muy robusta que no se doble en absoluto, pero eso requeriría un grosor de material alto que resultaría en un grosor total aumentado de todo el portátil y también agregaría mucho peso. Queremos hacer la tapa lo más delgada y ligera posible mientras mantenemos la deflexión bajo control.

Podemos aproximar el grosor de material ideal realizando algunas simulaciones de elasticidad en nuestro modelo CAD. Dado que conocemos la fuerza aproximada que necesita ser aplicada para abrir el portátil, podemos usar eso como una entrada de simulación para calcular la deflexión de la tapa. Dado que aún no sabemos cómo se montará el vidrio de la cubierta, no será parte de la simulación.

Ilustración de la deflexión de la tapa al abrir el portátil solo por una esquina

Integración de la placa de la webcam

Con el panel de visualización en su lugar y el grosor del material correctamente determinado, podemos comenzar a pensar en cómo queremos integrar la PCB de la webcam. Como en la mayoría de las laptops, la webcam de nuestro sistema se sitúa centrada sobre la pantalla en el bisel de la pantalla. Esta es la colocación más intuitiva para la webcam, pero solo deja un pequeño espacio entre el panel y la tapa con el que podemos trabajar.

Antes de comenzar el diseño y colocar la webcam y los bloques funcionales circundantes en el modelo CAD, primero necesitamos examinar más de cerca qué componentes se encuentran en la placa de la webcam y qué necesitamos considerar al instalarlos. El siguiente diagrama muestra que tenemos muchos más bloques funcionales además de la webcam que se ubicarán en la placa de la webcam:

Ilustración de bloques funcionales colocados en la placa de la webcam

Aquí es donde se complica un poco la integración de la PCB de la webcam. Necesitamos determinar la colocación de cuatro bloques funcionales principales en la PCB de la webcam. Solo uno de estos bloques puede adaptarse a nuestras necesidades desde un punto de vista mecánico, y esos son los touchpads para activar y desactivar las funciones críticas de privacidad. Los otros tres bloques de función consisten principalmente en componentes individuales, como el sensor de luz ambiental. Vamos a echar un breve vistazo a los componentes individuales para destacar los requisitos de diseño mecánico específicos de la parte.

Sensor de luz ambiental

El sensor de luz ambiental de Vishay Semiconductors es un VEML3235. Viene en un pequeño paquete plástico de 2.0mm x 2.0mm x 0.87mm con una parte superior transparente: https://www.vishay.com/en/product/80131/.

Imagen de primer plano del sensor de luz ambiental VEML3235

La parte de detección óptica del chip se sitúa casi centrada en el paquete. Para que el sensor de luz funcione correctamente en niveles bajos de luz ambiental, es necesario colocarlo lo más cerca posible de una ventana de visualización en el cristal de la cubierta. La nota de aplicación para el VEML3235 nos muestra cómo calcular el tamaño de la ventana dependiendo de la distancia de la parte a la ventana de visualización. La conclusión más importante para nosotros es que necesitamos colocar el sensor lo más cerca posible de la parte inferior del cristal de la cubierta. Cuando comencemos a diseñar la impresión del cristal de la cubierta, necesitamos volver a la nota de aplicación y planificar el tamaño correcto de la ventana de visualización.

Captura de pantalla de la nota de aplicación de integración del VEML3235

Micrófonos MEMS dobles

El micrófono utilizado en nuestro sistema es un Knowles SPK0641HT4H-1. Se utilizarán dos micrófonos, uno a la izquierda y otro a la derecha de la cámara, para grabar sonido estéreo. La situación de montaje de estos dos micrófonos es similar a la del sensor de luz ambiental. Queremos colocar los puertos del micrófono lo más cerca posible del correspondiente orificio en el cristal de la cubierta. También nos gustaría colocar una junta de espuma alrededor del micrófono para crear una "guía" entre el puerto en el cristal de la cubierta y el micrófono, pero eso será parte de la próxima revisión de la placa del micrófono.

Micrófono MEMS Knowles SPK0641HT4H-1

Sensor de cámara de webcam

Por último, pero definitivamente no menos importante, tenemos el sensor de imagen de webcam OmniVision OV2740. El sensor de imagen en sí tiene solo aproximadamente 0.8mm de grosor total. Mucho más interesante para nosotros ahora es la altura total del sensor más el conjunto de micro lentes que se situará encima del sensor. Hay varios tipos de lentes disponibles, pero la mayoría de ellos tienen una altura total de aproximadamente 4mm. Esto significa que el sensor de imagen debe ubicarse al menos a 4mm más, algún margen, de distancia de la parte inferior del cristal de la cubierta.

Sensor de imagen OmniVision OV2740

Placa de circuito de la webcam

Ahora nos enfrentamos al desafío de acomodar múltiples componentes con diferentes requisitos de altura en una única PCB debajo del vidrio de la cubierta. Hay varias maneras de lograr esto mecánica y eléctricamente. Exploraremos al menos dos enfoques con dos revisiones de la PCB de la cámara. Una manera de hacer esto es usar una PCB flexible con varios tipos y espesores de refuerzos.

Varios espesores de refuerzos crean una placa con múltiples niveles de altura

Vamos a examinar más de cerca la propia PCB en la parte de diseño eléctrico de la tapa. Por ahora, centrémonos en cómo se monta la PCB de la webcam. La sección media de la placa utiliza un refuerzo de acero inoxidable de 0.2 mm. Esta sección media contiene el sensor de imagen y un conector de placa a placa para conectar la webcam a la placa principal. Debido al bajo espesor del refuerzo, podemos cumplir con el requisito de altura de 4 mm de la lente de la cámara colocando esta sección en un pequeño bolsillo mecanizado en la tapa del portátil.

En la imagen a continuación, puedes ver dos pequeños pasadores de alineación mecanizados en el bolsillo de la cámara. Estos encajarán en los dos pequeños agujeros cerca del borde izquierdo y derecho del refuerzo de acero inoxidable. Estos pasadores asegurarán que la placa y especialmente la lente de la cámara estén alineadas con la ventana de visualización en el vidrio de la cubierta.

PCB de la webcam con agujeros de alineación

La imagen de arriba ya podría indicar cómo se monta toda la placa en el sistema. Pero, aún necesitamos asegurarnos de que la sección media del PCB se asiente perfectamente en el bolsillo mecanizado y no se desplace o incluso salte sobre los pasadores de alineación cuando se someta a fuertes vibraciones o golpes.

¡Estas y muchas más preguntas serán respondidas en la próxima actualización! Todavía tenemos que enfrentar algunos desafíos con el diseño mecánico de la tapa antes de poder pasar al diseño eléctrico. ¡Espero que sigas con nosotros para las próximas actualizaciones también!