Phase de conception - Mécanique de l'assemblage du couvercle Partie 1

Bienvenue de retour au projet d'ordinateur portable open-source ! Dans cette mise à jour, nous allons nous plonger dans la conception mécanique du couvercle de l'ordinateur portable. Auparavant, nous avons exploré quels panneaux d'affichage étaient disponibles et lequel serait le mieux adapté à notre application. Notre recherche a été couronnée de succès tout comme le test du panneau ! Maintenant, la partie difficile commence : intégrer le tout dans un système qui est non seulement robuste et fonctionnel, mais qui a également une bonne apparence.

Bien que le titre de cette mise à jour soit mécanique de l'assemblage du couvercle, la ligne entre la conception électrique et mécanique va devenir assez floue comme vous êtes sur le point de le voir. Cependant, c'est la nature d'un tel projet. De nombreuses décisions du côté mécanique ont une influence directe sur la conception électrique et vice versa. Bien sûr, nous devons regarder les deux côtés en même temps.

Révision 1.0 du PCB de la webcam

Matériau et méthode de fabrication

Une des premières questions que nous devons répondre est quel matériau utiliser et comment fabriquer le couvercle. Cela aura un impact direct sur les formes que nous pouvons modéliser dans le couvercle et les coûts associés. Le dernier point est particulièrement important puisque nous ne considérons pas un design de produit à très haut volume au moment de la rédaction. Cela limite le choix des techniques de fabrication, car les processus impliquant des coûts d'outillage élevés ne sont actuellement pas une option. Les processus de formage de tôle et toute variante des techniques de moulage sont donc exclus. Les deux techniques de fabrication nécessitent soit des moules coûteux soit des matrices d'estampage qui ne sont pas rentables pour des quantités inférieures.

La seule option viable restante qui offre également un aspect moderne et robuste est d'usiner le couvercle à partir d'un bloc solide d'aluminium. Les prototypes usinés CNC sont relativement peu coûteux et ont un délai de réalisation court. Les coûts de configuration associés aux pièces usinées sont assez modérés grâce aux programmes CAM modernes qui peuvent automatiser la programmation des machines dans une certaine mesure.

Sachant que l'usinage CNC sera le processus de fabrication de choix, nous pouvons procéder à la modélisation 3D.

Modélisation 3D du couvercle

Nous commencerons par intégrer le panneau d'affichage en premier. À cette fin, nous pouvons utiliser le fichier STEP 3D du panneau et des supports de montage fournis par Framework :

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

Pour commencer, la forme de base du couvercle est simplement un rectangle aux coins arrondis avec un emplacement pour le panneau d'affichage :

Forme de base du couvercle de l'ordinateur portable

Comme la pièce entière sera usinée à partir d'un seul bloc d'aluminium, nous pouvons déjà concevoir toutes les caractéristiques nécessaires pour monter l'affichage. Grâce aux supports pré-installés sur l'affichage, nous avons seulement besoin de fournir un filetage interne M2 et une broche d'alignement pour monter le panneau.

La hauteur des entretoises est choisie de sorte que le panneau ne repose pas à plat sur le plateau en aluminium. Au lieu de cela, il y a un espace de 1mm entre le panneau et le plateau du couvercle. C'est une caractéristique de conception très importante qui assure que l'arrière sensible du panneau ne fait jamais contact direct avec le plateau en aluminium car il se plie lorsque le couvercle est ouvert.

Flexion du couvercle de l'ordinateur portable

Pourquoi le couvercle de l'ordinateur portable se plierait-il de toute façon, n'est-ce pas l'objectif de conception de créer un couvercle mince mais robuste qui protège le panneau d'affichage et ne se plie pas pendant l'utilisation ?

Bien que cela puisse être le cas idéal, en réalité nous devons trouver un bon compromis entre le poids, l'épaisseur et la rigidité. Nous pourrions construire un couvercle très robuste qui ne se plie pas du tout mais cela nécessiterait une épaisseur de matériau élevée qui résulte en une épaisseur globale accrue de tout l'ordinateur portable et ajoute aussi beaucoup de poids. Nous voulons rendre le couvercle aussi mince et léger que possible tout en gardant la déflexion sous contrôle.

Nous pouvons approximer l'épaisseur de matériau idéale en exécutant quelques simulations d'élasticité sur notre modèle CAO. Comme nous connaissons la force approximative qui doit être appliquée pour ouvrir l'ordinateur portable, nous pouvons l'utiliser comme entrée de simulation pour calculer la déflexion du couvercle. Comme nous ne savons pas encore comment le verre de couverture sera monté, il ne fera pas partie de la simulation.

Illustration de la déflexion du couvercle lors de l'ouverture de l'ordinateur portable sur un seul coin

Intégration de la carte webcam

Avec le panneau d'affichage en place et l'épaisseur du matériau correctement déterminée, nous pouvons commencer à réfléchir à la manière dont nous souhaitons intégrer le PCB de la webcam. Comme sur la plupart des ordinateurs portables, la webcam de notre système est centrée au-dessus de l'écran, dans le cadre de l'écran. C'est l'emplacement le plus intuitif pour la webcam, mais cela ne laisse qu'un petit espace entre le panneau et le couvercle pour nous permettre de travailler.

Avant de commencer la conception et de placer la webcam et les blocs fonctionnels environnants dans le modèle CAO, nous devons d'abord examiner de plus près quels composants se trouvent sur la carte de la webcam et ce que nous devons considérer lors de leur installation. Le diagramme suivant montre que nous avons beaucoup plus de blocs fonctionnels en plus de la webcam qui seront placés sur la carte de la webcam :

Illustration des blocs fonctionnels placés sur la carte de la webcam

C'est là que cela devient un peu compliqué en ce qui concerne l'intégration du PCB de la webcam. Nous devons déterminer l'emplacement de quatre blocs fonctionnels majeurs sur le PCB de la webcam. Seul l'un de ces blocs peut être adapté à nos besoins d'un point de vue mécanique, et il s'agit des pavés tactiles pour activer et désactiver les fonctions critiques pour la vie privée. Les trois autres blocs fonctionnels sont principalement composés de composants individuels, tels que le capteur de lumière ambiante. Prenons un bref coup d'œil aux composants individuels pour souligner les exigences de conception mécanique spécifiques à chaque pièce.

Capteur de lumière ambiante

Le capteur de lumière ambiante de Vishay Semiconductors est un VEML3235. Il est présenté dans un petit boîtier en plastique de 2,0 mm x 2,0 mm x 0,87 mm avec un dessus transparent : https://www.vishay.com/en/product/80131/.

Image en gros plan du capteur de lumière ambiante VEML3235

La partie de détection optique du composant est presque centrée dans le boîtier. Pour que le capteur de lumière fonctionne correctement à faibles niveaux de lumière ambiante, il est nécessaire de le placer aussi près que possible d'une fenêtre de visualisation dans le verre de couverture. La note d'application pour le VEML3235 nous montre comment calculer la taille de la fenêtre en fonction de la distance du composant à la fenêtre de visualisation. Le point le plus important à retenir pour nous est que nous devons placer le capteur aussi près que possible de la face inférieure du verre de couverture. Lorsque nous commençons à concevoir l'impression sur le verre de couverture, nous devons revenir à la note d'application et prévoir la taille correcte de la fenêtre de visualisation.

Capture d'écran de la note d'application d'intégration du VEML3235

Microphones MEMS doubles

Le microphone utilisé dans notre système est un Knowles SPK0641HT4H-1. Deux microphones seront utilisés à gauche et à droite de la caméra pour enregistrer le son stéréo. La situation de montage pour ces deux microphones est similaire à celle du capteur de lumière ambiante. Nous voulons placer les ports des microphones aussi près que possible du trou correspondant dans le verre de couverture. Nous aimerions également placer un joint en mousse autour du microphone pour créer un « guide » entre le port dans le verre de couverture et le microphone, mais cela fera partie de la prochaine révision de la carte du microphone.

Microphone MEMS Knowles SPK0641HT4H-1

Capteur d'image de webcam

En dernier, mais certainement pas des moindres, nous avons le capteur d'image de webcam OmniVision OV2740. Le capteur d'image lui-même a une épaisseur totale d'environ 0,8 mm seulement. Ce qui est beaucoup plus intéressant pour nous maintenant, c'est la hauteur totale du capteur plus l'assemblage de micro-lentilles qui sera placé au-dessus du capteur. Il existe quelques types de lentilles disponibles, mais la plupart d'entre elles ont une hauteur totale d'environ 4 mm. Cela signifie que le capteur d'image doit être situé à au moins 4 mm plus une certaine marge de la face inférieure du verre de couverture.

Capteur d'image OmniVision OV2740

Carte de circuit de webcam

Nous sommes maintenant confrontés au défi de loger plusieurs composants ayant des exigences de hauteur différentes sur un seul PCB sous le verre de couverture. Il existe plusieurs façons d'y parvenir, à la fois mécaniquement et électriquement. Nous allons explorer au moins deux approches avec deux révisions de la carte PCB de la caméra. Une manière de procéder est d'utiliser un PCB flexible avec plusieurs types et épaisseurs de raidisseurs.

Des épaisseurs de raidisseurs multiples créent une carte avec plusieurs niveaux de hauteur

Nous allons examiner de plus près le PCB lui-même dans la partie conception électrique du couvercle. Pour l'instant, concentrons-nous sur la manière dont le PCB de la webcam est monté. La section médiane de la carte utilise un raidisseur en acier inoxydable de 0,2 mm. Cette section médiane contient le capteur d'image et un connecteur de carte à carte pour connecter la webcam à la carte mère. Grâce à la faible épaisseur du raidisseur, nous pouvons répondre à l'exigence de hauteur de 4 mm de l'objectif de la caméra en plaçant cette section dans une petite poche usinée dans le couvercle de l'ordinateur portable.

Dans l'image ci-dessous, vous pouvez voir deux petites broches d'alignement usinées dans la poche de la caméra. Celles-ci s'adapteront dans les deux petits trous proches des bords gauche et droit du raidisseur en acier inoxydable. Ces broches garantiront que la carte et surtout l'objectif de la caméra soient alignés avec la fenêtre de visualisation dans le verre de couverture.

PCB de webcam avec trous d'alignement

L'image ci-dessus pourrait déjà indiquer comment toute la carte est montée dans le système. Cependant, nous devons encore nous assurer que la section médiane du PCB est bien en place dans la poche usinée et ne se déplace pas ou même ne saute pas par-dessus les broches d'alignement lorsqu'elle est soumise à de fortes vibrations ou chocs.

Ceci et bien d'autres questions trouveront leurs réponses dans la prochaine mise à jour ! Nous devons encore relever quelques défis concernant la conception mécanique du couvercle avant de pouvoir passer à la conception électrique. J'espère que vous suivrez également les prochaines mises à jour !