Phase de conception - Conception CAO initiale

Cette installation du journal de développement du projet d'ordinateur portable open source vous guidera à travers la phase de concept initial et de brainstorming. La première étape consiste à recueillir les idées et les exigences pour le dispositif final et à les condenser autant que possible en un brouillon simplifié. Il n'est pas important à ce stade de prêter trop d'attention aux détails techniques - il s'agit de poser une fondation, c'est-à-dire de créer un cadre qui peut être subdivisé et affiné dans des étapes ultérieures.

Commençons. (Vous aurez besoin d'un stylo et d'une feuille de papier).

Définir les exigences

Notez les exigences fonctionnelles et esthétiques du système pour faciliter la visualisation à l'étape suivante et fournir une base pour une spécification de produit préliminaire. Dans un environnement d'entreprise, les exigences sont dictées par l'analyse du marché et l'analyse de la demande.

Puisque ce projet est le premier de son genre, je ne peux pas compter sur les retours des clients ou une compréhension approfondie du marché des ordinateurs portables. Les critères de conception pour l'ordinateur portable proposé sont principalement issus d'idées personnelles, d'expériences et de recherches.

Les points suivants sont des aspects techniques clés que j'aimerais voir reflétés dans le système final :

• Facteur de forme fin et léger ;

• Poids inférieur à 1,6 kg ;

• Épaisseur totale inférieure à 20 mm pour un écran de 13 pouces ;

• Facteur de forme ;

• Pas besoin de dongles/adaptateurs USB-C dans les cas d'utilisation quotidiens ;

• Au moins trois ports USB-A de taille normale avec au moins un port de chaque côté de l'ordinateur portable ;

• Port HDMI de taille normale Prise casque 3,5 mm ;

• Fente pour carte SD de taille normale Chargement via USB-C avec des ports capables de charger de chaque côté ;

• Clavier mécanique et modulaire qui peut être facilement échangé pour différents agencements ou personnalisés ;

• Pavé tactile multi-touch Webcam et microphone pouvant être activés/désactivés matériellement ;

• Fonctionnalités WiFi et Bluetooth ;

• Luminosité de l'écran d'au moins 350 nits ;

• Angle d'ouverture du couvercle d'au moins 140° ;

• Pas d'entrée d'air pour le refroidissement sur le dessous de l'appareil ;

• Facilité de réparation et de mise à niveau des composants tels que la batterie, l'écran, la mémoire, le stockage, la carte WiFi/Bluetooth et la carte mère ;

• CPU x86 plus récent ;

• Bonne performance avec Win10/Win11 ;

• Boîtier entièrement ou partiellement en aluminium pour un aspect et une sensation haut de gamme et une bonne rigidité.

Quelques paramètres importants manquent dans la liste ci-dessus. Ces paramètres sont de priorité inférieure et seront abordés lors des prochaines étapes de concept et de design. Bien que ce qui précède devrait refléter un système idéal sans trop insister sur les détails techniques, il existe encore certaines limitations strictes imposées au projet par sa nature open-source.

De nombreuses pièces et la documentation associée, surtout dans l'industrie de l'électronique grand public, ne sont disponibles que sous des NDA stricts et des contrats OEM. Spécifier ces pièces et les paramètres connectés au préalable est futile sans d'abord explorer quelles options sont disponibles pour un projet de matériel libre. Beaucoup de cette exploration se déroulera en parallèle à ce projet afin de ne pas causer trop de retard.

Le premier modèle CAO

Créer une représentation visuelle dès le début de la phase de concept aide à faire avancer le processus créatif. Un modèle CAO préliminaire aide également à identifier les principaux défis de conception qui nécessiteront du temps et de l'attention dans les étapes suivantes. J'utilise le modeleur direct Spacelcaim Engineer pour créer mes esquisses de début de phase et mes modèles CAO de production.

Avec la liste des exigences à l'esprit, j'ai téléchargé une sélection de modèles CAO 3D des connecteurs qui seraient adaptés pour l'application sur ordinateur portable. Ces modèles CAO sont disponibles sur le site web des fournisseurs de pièces.

Pour le premier croquis, j'ai recherché dans le catalogue en ligne et la bibliothèque de modèles 3D des fabricants suivants :

• Würth Elektronik ;

• Molex ;

• TE Connectivity ;

• Amphenol CS ;

• ACES Electronics ;

• LOTES CO., LTD ;

• GCT.

Placement et espacement des connecteurs

Placer les connecteurs et les découpes correspondantes sur le côté de l'ordinateur portable semble assez simple, n'est-ce pas ?

Les interfaces nécessaires ont été spécifiées dans la liste des exigences, maintenant il s'agit juste de les disposer de manière espacée et facilement accessible - du moins, c'était l'idée.

Commencez par l'étape la plus simple pour déterminer quelles interfaces vont à l'arrière et quels connecteurs sont disposés plus vers l'avant de l'ordinateur portable. La raison pour laquelle je poursuis avec cette tâche est d'arranger toutes les interfaces « statiques » qui sont connectées une ou deux fois lors d'un cycle d'utilisation vers l'arrière de l'ordinateur portable. Cela permet de ne pas avoir de câbles dans le chemin lors de la connexion de quelque chose comme une clé USB - ce qui peut facilement arriver plusieurs fois pendant l'utilisation. Débrancher accidentellement des câbles parce qu'une clé USB s'est accrochée dans une ferrite de filtre ou un scénario similaire peut être facilement évité si tous les câbles « statiques » sont disposés vers l'arrière de l'appareil.

En premier sur la liste des connexions « statiques » se trouvent les connecteurs USB-C qui sont très probablement utilisés pour la charge ou pour se connecter à une station d'accueil. Dans les deux scénarios, ces interfaces sont connectées une fois lorsque vous commencez à utiliser l'appareil.

Deuxième sur cette liste est le connecteur HDMI. Sans station d'accueil, le connecteur HDMI fera très probablement partie d'une configuration permanente qui n'a pas besoin d'être connectée plusieurs fois au cours d'une seule utilisation. Les ports USB-A ou le slot pour carte SD seront probablement utilisés plusieurs fois au cours d'une seule session, donc ils sont disposés vers l'avant du portable où les dispositifs connectés n'interfèrent pas avec les câbles de charge ou d'affichage.

Disposition des connecteurs sur une version ultérieure du modèle CAO

Il est maintenant temps de décider à quelle distance les connecteurs doivent être espacés les uns des autres. La raison pour laquelle cela est important est le mieux résumée dans une image qui montre une situation familière à quiconque lit ceci :

Cette situation peut être très ennuyeuse. Bien sûr, ces collisions apparaissent typiquement dans des constellations qui ne peuvent pas être résolues simplement en déplaçant les câbles vers d'autres ports. Dans l'exemple ci-dessus, soit la clé USB fonctionne, soit l'écran, mais jamais les deux.

On pourrait arguer que cette situation est peu probable, surtout puisque l'exemple montré utilise deux extrêmes de connecteurs très grands. Bien que cela puisse être vrai, on pourrait aussi arguer qu'il suffit d'une minute avec votre collection privée de câbles USB et ceux que vous pourriez utiliser dans votre travail quotidien pour rencontrer un problème comme celui montré ci-dessus. Cela pourrait être une situation qui n'est pas si rare après tout.

Avec une telle variété de surmoulages de connecteurs et de boîtiers disponibles sur le marché, on pourrait penser qu'il est une bonne idée de spécifier les dimensions maximales de ces caractéristiques mécaniques critiques. Non seulement pour l'USB Type A mais aussi pour l'USB-C, HDMI, DisplayPort, et ainsi de suite.

En consultant la bibliothèque de documents sur USB.org, nous pouvons trouver un type de document appelé « Spécification de câble et de connecteur ». Ces documents sont disponibles pour les câbles USB de type C et les câbles USB de type A. Une partie des spécifications mécaniques concerne les dimensions maximales de surmoulage qui doivent être utilisées pour les connecteurs correspondants. Sur une interface USB de type A, la largeur maximale de surmoulage doit être égale ou inférieure à 16 mm.

Cependant, de nombreux fabricants ne respectent pas cette recommandation, ce qui rend un peu plus difficile la spécification d'un espacement de connecteur de manière adéquate.

Puisque suivre un document de spécification n'était pas une option, j'ai choisi d'acquérir un ensemble plus large d'échantillons physiques de câbles USB et de modèles 3D de câbles USB. Ensuite, j'ai mesuré manuellement les dimensions maximales.

Il existe une grande communauté d'ingénieurs et de concepteurs, par exemple sur 3DcontentCentral ou GrabCad, qui partagent leurs modèles 3D impressionnants. J'ai également exploré ces bibliothèques ainsi que les sites Web des fabricants à la recherche de modèles 3D de toutes sortes de connecteurs et de câbles adaptés à mon application. J'ai ensuite fusionné tous ces ensembles de données dans un seul fichier CAO avec les mesures manuelles. Le résultat était une boîte englobante maximale pour chaque connecteur d'accouplement des interfaces utilisées dans le projet de l'ordinateur portable.

Avec cette approche, je suis assez confiant de ne pas rencontrer le problème de collisions entre les connecteurs voisins.

Capture d'écran du modèle de boîte englobante créé à partir de modèles 3D et de mesures manuelles

Retour au modèle 3D conceptuel de l'ordinateur portable lui-même. J'ai agencé les connecteurs d'une manière qui suit le système décrit ci-dessus. La capture d'écran suivante montre la première itération du placement des connecteurs. Notez que l'espacement entre ces connecteurs est encore trop petit. Cela a été mis à jour plus tard dans la conception mécanique.

Premier modèle CAO du concept d'ordinateur portable

Avec le positionnement idéal des interfaces externes en place, j'ai commencé à organiser les composants clés internes pour évaluer l'espace disponible. Ce faisant, j'ai essayé d'identifier quels composants sont critiques pour déterminer la hauteur du système final. Un autre aspect important que je voulais déterminer durant la phase de concept était quelles options sont disponibles pour créer une solution de refroidissement qui n'aspire pas l'air frais depuis le bas du système.

À ce stade, je m'appuie encore principalement sur les modèles CAD des fabricants pour minimiser le temps de conception. Les modèles 3D utilisés ne reflètent pas nécessairement la pièce finale mais agissent plutôt comme un substitut ou une aide visuelle pour la modélisation du concept 3D.

Disposer approximativement les composants internes du portable a abouti au modèle CAD suivant :

Capture d'écran du modèle CAD montrant l'agencement approximatif des composants internes

Dans l'esquisse ci-dessus, un PCB vert est montré dans le coin avant droit de l'appareil avec quatre connecteurs SMA dépassant du côté du portable. Je voulais explorer l'idée de fournir un emplacement vide qui peut être utilisé pour des projets électroniques personnalisés. En raison de la complexité supplémentaire et des exigences d'espace ajoutées, j'ai malheureusement dû omettre cette approche dans les étapes suivantes. Il existe cependant un remède qui permettra des personnalisations de différentes manières—plus de détails dans la prochaine mise à jour !

Le clavier

Maintenant, tout ce qui manque pour finaliser l'ébauche de la moitié inférieure du portable est un clavier mécanique. Un clavier mécanique présente plusieurs avantages qui le rendent attrayant pour ce projet :

• Aspect et sensation améliorés / expérience de frappe supérieure à celle d'un clavier à membrane ;

• Plusieurs variantes d'interrupteurs disponibles ;

• Plus facile à personnaliser et à réparer ;

• Facile à prototyper.

Les inconvénients comprennent :

• Coûteux ;

• Exigences d'espace supplémentaires en raison de l'épaisseur ajoutée associée à un déplacement plus grand des interrupteurs.

Cherry MX et Kailh proposent tous deux dans leur gamme de produits un interrupteur à clé SMD à profil ultra-bas qui serait adapté à cette application. La hauteur totale de l'interrupteur est de 3,5 mm à l'état non actionné. Le capuchon de la touche ajoute 0,6 mm de hauteur supplémentaire. Avec l'épaisseur du PCB du clavier de 1,2 mm, l'assemblage du clavier utilise 5,3 mm dans l'axe Z. La plupart des ordinateurs portables fins et légers de 13 pouces sur le marché ont une épaisseur d'environ 15 mm. L'assemblage du clavier seul occuperait un tiers de l'espace disponible dans la dimension Z dans notre cas. Intégrer l'électronique nécessaire sous le clavier sera un défi de conception majeur.

En avançant avec un modèle 3D représentatif d'un interrupteur à clé, le premier brouillon du clavier a été établi et intégré dans le brouillon du système :

Vue de dessus du brouillon du modèle CAO

La vue transparente du boîtier de l'ordinateur portable montre les principaux composants qui font partie du brouillon jusqu'à présent. Quatre cellules de batterie LiPo de 13,3Wh sont placées sous le pavé tactile. À droite, à côté du système de batterie, un espace est alloué au compartiment d'expansion de l'électronique personnalisée.

L'espace sous le clavier est occupé par la carte mère et par le refroidisseur du CPU.

Vue en fil de fer du brouillon du modèle CAO

L'écran

Pour compléter le brouillon du système, il ne manque plus que le couvercle de l'ordinateur portable et le panneau d'affichage. Dans le premier brouillon, j'ai opté pour un panneau avec une résolution de 1920x1080. Il existe de nombreux panneaux disponibles à cette résolution avec des facteurs de forme similaires à bas prix. Cela facilite la recherche d'un panneau de remplacement ou le changement de fabricant de panneaux en cas de discontinuation d'un panneau. Un rapport d'aspect de 16:9 n'est pas idéal pour une application sur appareil mobile, c'est pourquoi ce panneau a été remplacé plus tard dans le processus par un écran de résolution supérieure en 3:2.

Le panneau que j'ai sélectionné comme représentation mécanique était un Innolux N133HCG-G52. La fiche technique de ce panneau était facile à trouver et le facteur de forme de ce panneau est assez populaire. J'ai modélisé un modèle 3D représentatif selon le dessin de la fiche technique du panneau :

Capture d'écran montrant le modèle 3D du panneau d'affichage avec une superposition du dessin mécanique

Assembler le tout

Maintenant que les esquisses sont disponibles pour la plupart des sous-composants, nous pouvons tout assembler et visualiser le premier brouillon.

À cette fin, j'utilise Blender 3D. Blender est un outil gratuit et open source utilisé pour la modélisation 3D, le rendu, l'animation, le montage vidéo, et bien plus encore. Le puissant moteur de rendu basé sur les nœuds de Blender permet de faciliter les rendus de produits ou les configurations de visualisation de concepts.

Exporter le concept mécanique de l'ordinateur portable au format .OBJ nous permet d'importer ces données CAO dans Blender. Un fichier de bibliothèque de matériaux avec l'extension .MTL est créé à côté du fichier Objet lors de l'exportation. Ce fichier de bibliothèque de matériaux est utilisé par Blender pour assigner des matériaux par défaut aux objets maillés importés. Ces matériaux par défaut peuvent être modifiés pour représenter l'aspect souhaité de l'objet associé.

En assignant les matériaux correspondants, la première visualisation du brouillon de concept est terminée :

Premier brouillon rendu du concept d'ordinateur portable montrant le clavier et l'écran

Premier brouillon rendu du concept d'ordinateur portable montrant l'arrière du couvercle

Ceci conclut la mise en place du premier brouillon mécanique du projet d'ordinateur portable open source !

Nous utiliserons ce modèle CAO comme point de départ pour les prochaines itérations de conception qui prendront en compte tous les aspects techniques que nous avons volontairement négligés dans cette première phase.

Dans cette première phase de brouillon, nous avons pu extraire certaines informations importantes :

• L'espace sous le clavier est très limité. Dans le premier modèle CAO, il n'y a que environ 3 - 4mm d'espace utilisable avec lequel nous pouvons travailler ;

• Les connecteurs placés sur le côté de l'ordinateur portable ne peuvent pas dépasser plus de 15mm à l'intérieur de l'ordinateur, sinon ils entreront en collision avec l'assemblage du clavier. Cela impose certaines limitations sur les types de connecteurs et de montages qui peuvent être utilisés ;

• Les haut-parleurs ne peuvent être implémentés qu'à droite et à gauche de l'arrière de la batterie avec la sortie acoustique vers le côté ou le bas de l'ordinateur portable ;

• Des modèles de collision de connecteurs ont été créés pour toutes les interfaces utilisées sur l'ordinateur portable.

Avec le brouillon initial terminé, nous pouvons plonger dans des aspects plus techniques de l'ensemble de la conception.

Restez à l'écoute pour la prochaine phase, où nous examinerons de plus près la construction réelle de l'ordinateur portable ainsi que certains outils de simulation très utiles que nous pouvons utiliser pour évaluer l'intégrité mécanique de la conception.