Fase Concettuale - Progettazione CAD Iniziale

Questa puntata del registro di sviluppo del progetto di laptop open source vi guiderà attraverso la fase iniziale di concetto e brainstorming. Il primo passo è raccogliere le idee e i requisiti per il dispositivo finale e condensarli nel miglior modo possibile in una bozza semplificata. In questa fase non è importante prestare troppa attenzione ai dettagli tecnici - si tratta di porre le basi, ovvero creare un framework che possa essere suddiviso e affinato in ulteriori passaggi.

Cominciamo. (Avrete bisogno di una penna e di un pezzo di carta).

Definire i requisiti

Scrivete i requisiti funzionali ed estetici del sistema per rendere più facile la visualizzazione nel prossimo passo e fornire una base per una specifica di prodotto preliminare. In un ambiente aziendale, i requisiti sono guidati dalla ricerca di mercato e dall'analisi della domanda.

Poiché questo progetto è il primo del suo genere, non posso fare affidamento su feedback dei clienti o su una profonda comprensione del mercato dei laptop. I criteri di design per il laptop proposto sono per lo più guidati da idee personali, esperienze e ricerche.

I seguenti punti sono aspetti tecnici chiave che mi piacerebbe vedere riflessi nel sistema finale:

• Form factor sottile e leggero;

• Peso inferiore a 1.6kg;

• Spessore totale inferiore a 20mm per 13”;

• Form factor;

• Nessuna necessità di dongle/adattatori USB-C nell'uso quotidiano;

• Almeno tre porte USB-A di dimensioni standard con almeno una porta su ciascun lato del laptop;

• Porta HDMI di dimensioni standard jack per cuffie da 3.5mm;

• Slot per schede SD di dimensioni standard Ricarica tramite USB-C con porte in grado di caricare su entrambi i lati;

• Tastiera meccanica e modulare che può essere facilmente sostituita per layout differenti o personalizzati;

• Trackpad Multi-touch Webcam e Microfono che possono essere abilitati/disabilitati hardware;

• Funzionalità WiFi e Bluetooth;

• Luminosità dello schermo di almeno 350 nit;

• Angolo di apertura del coperchio di almeno 140°;

• Nessuna presa d'aria per il raffreddamento sul fondo del dispositivo;

• Facilità di riparazione e aggiornamento di componenti come batteria, schermo, memoria, storage, scheda WiFi/Bluetooth e scheda madre;

• CPU x86 più recente;

• Buone prestazioni con Win10/Win11;

• Custodia interamente o parzialmente in alluminio per un aspetto e una sensazione premium e una buona rigidità.

Mancano alcuni parametri importanti nell'elenco sopra. Questi parametri sono di priorità inferiore e verranno affrontati durante le prossime fasi di concetto e progettazione. Sebbene quanto sopra dovrebbe riflettere un sistema ideale senza porre troppo enfasi sui dettagli tecnici, ci sono ancora alcune limitazioni concrete imposte al progetto dalla sua natura open-source.

Molte parti e la documentazione associata—specialmente nell'industria dell'elettronica di consumo—sono disponibili solo sotto stretti NDA e contratti OEM. Specificare queste parti e i parametri connessi in anticipo è inutile senza prima esplorare quali opzioni sono disponibili per un progetto di hardware aperto. Molta di questa esplorazione avverrà in parallelo a questo progetto per non causare troppi ritardi.

Il primo modello CAD

Creare una rappresentazione visiva all'inizio della fase concettuale aiuta a far avanzare il processo creativo. Un modello CAD preliminare aiuta anche a identificare le principali sfide di progettazione che richiederanno tempo e attenzione nei passaggi successivi. Utilizzo il modellatore diretto Spacelcaim Engineer per creare i miei schizzi iniziali e i modelli CAD di produzione.

Con la lista dei requisiti in mente, ho scaricato una selezione di modelli CAD 3D dei connettori che sarebbero adatti per l'applicazione del laptop. Questi modelli CAD sono disponibili sul sito web dei fornitori di parti.

Per il primo schizzo, ho cercato nel catalogo online e nella libreria di modelli 3D dei seguenti produttori:

• Würth Elektronik;

• Molex;

• TE Connectivity;

• Amphenol CS;

• ACES Electronics;

• LOTES CO.,LTD;

• GCT.

Posizionamento e spaziatura dei connettori

Posizionare i connettori e le relative aperture sul lato del laptop sembra abbastanza semplice, giusto?

Le interfacce necessarie sono state specificate nella lista dei requisiti, ora è solo questione di disporle a intervalli regolari e facilmente accessibili—almeno questa era l'idea.

Inizia con il passaggio più semplice per determinare quali interfacce vanno nella parte posteriore e quali connettori sono disposti più verso la parte anteriore del laptop. Il motivo per cui sto seguendo questo compito è per disporre tutte le interfacce "statiche" che vengono collegate una o due volte durante un singolo ciclo di utilizzo verso la parte posteriore del laptop. Questo per non avere cavi di mezzo quando si collega qualcosa come una chiavetta USB—che può facilmente succedere diverse volte durante l'uso. Scollegare accidentalmente i cavi perché una chiavetta USB si è impigliata in un filtro ferrite o uno scenario simile può essere facilmente evitato se tutti i cavi "statici" sono disposti verso la parte posteriore del dispositivo.

Primi nella lista delle connessioni “statiche” ci sono i connettori USB-C che vengono probabilmente utilizzati per la ricarica o per il collegamento a una docking station. In entrambi gli scenari, queste interfacce vengono collegate una volta all'inizio dell'uso del dispositivo.

Secondo nella lista è il connettore HDMI. Senza una docking station, il connettore HDMI farà molto probabilmente parte di una configurazione permanente che non necessita di essere collegata più volte durante un singolo utilizzo. Le porte USB-A o lo slot per schede SD saranno probabilmente utilizzati più volte durante una singola sessione, quindi sono posizionati verso la parte anteriore del laptop dove i dispositivi collegati non interferiscono con i cavi di ricarica o di visualizzazione.

Disposizione dei connettori in una versione successiva del modello CAD

Ora è il momento di decidere quanto spazio deve esserci tra un connettore e l'altro. Il motivo per cui questo è importante è facilmente riassumibile in un'immagine che mostra una situazione familiare a chiunque stia leggendo:

Questa situazione può essere molto fastidiosa. Ovviamente queste collisioni appaiono tipicamente in configurazioni che non possono essere risolte semplicemente spostando i cavi su altri porti. Nell'esempio sopra, o funziona la chiavetta USB o lo schermo—ma mai entrambi.

Si potrebbe argomentare che questa situazione è improbabile, specialmente perché l'esempio mostrato utilizza due estremi di connettori molto grandi. Sebbene ciò possa essere vero, si potrebbe anche argomentare che basti un minuto con la propria collezione privata di cavi USB e quelli che si potrebbero utilizzare nel proprio lavoro quotidiano per incorrere in un problema come quello mostrato sopra. Questa potrebbe essere una situazione non così rara dopotutto.

Con una così ampia varietà di sovramolature e alloggiamenti per connettori disponibili sul mercato, si potrebbe pensare che sia una buona idea specificare le dimensioni massime di queste caratteristiche meccaniche critiche. Non solo per USB Tipo A ma anche per USB-C, HDMI, DisplayPort, e così via.

Esaminando la libreria di documenti su USB.org possiamo trovare un tipo di documento chiamato "Specifiche per Cavi e Connettori". Questi documenti sono disponibili sia per i cavi USB Type-C che per i cavi USB Type-A. Parte delle specifiche meccaniche sono le dimensioni massime di sovramolatura che dovrebbero essere utilizzate per i connettori corrispondenti. In un'interfaccia USB Type-A, la larghezza massima di sovramolatura dovrebbe essere uguale o inferiore a 16mm.

Tuttavia, molti produttori non aderiscono a tale raccomandazione, rendendo un po' più difficile specificare correttamente la distanza tra i connettori.

Poiché seguire un documento di specifica non era un'opzione, ho scelto di acquisire un insieme più ampio di cavi USB fisici e modelli 3D di cavi USB. Poi, ho misurato manualmente le dimensioni massime.

C'è una grande comunità di ingegneri e progettisti là fuori—per esempio su 3DcontentCentral o GrabCad—che condividono i loro fantastici modelli 3D. Ho esaminato queste librerie così come i siti web dei produttori per modelli 3D di tutti i tipi di connettori e cavi adatti alla mia applicazione. Poi ho unito tutti questi dataset in un unico file CAD insieme alle misurazioni manuali. Il risultato è stata una scatola di ingombro massima per ogni connettore di accoppiamento delle interfacce utilizzate nel progetto del laptop.

Con questo approccio, sono abbastanza fiducioso di non incorrere nel problema di collisioni tra connettori adiacenti.

Screenshot del modello di scatola di ingombro creato a partire da modelli 3D e misurazioni manuali

Tornando al modello concettuale 3D del laptop stesso. Ho disposto i connettori in modo che seguissero il sistema descritto sopra. Lo screenshot seguente mostra la prima iterazione del posizionamento dei connettori. Notare che la distanza tra questi connettori è ancora troppo piccola. Questo è stato aggiornato successivamente nel design meccanico.

Primo modello CAD del concetto di laptop

Con il posizionamento ideale delle interfacce esterne a posto, ho iniziato ad organizzare i componenti chiave interni per valutare quanto spazio fosse disponibile. Facendo ciò, ho cercato di identificare quali componenti fossero critici per determinare l'altezza del sistema finale. Un altro aspetto importante che volevo capire durante la fase concettuale era quali opzioni fossero disponibili per creare una soluzione di raffreddamento che non aspirasse aria fredda dal fondo del sistema.

In questa fase, mi sto ancora affidando principalmente ai modelli CAD dei produttori per mantenere il tempo di progettazione al minimo. I modelli 3D utilizzati non riflettono necessariamente la parte finale, ma agiscono piuttosto come un segnaposto o un aiuto visivo per la modellazione del concetto 3D.

Disporre approssimativamente i componenti interni del laptop ha portato al seguente modello CAD:

Screenshot del modello CAD che mostra la disposizione approssimativa dei componenti interni

Nello schizzo sopra, un PCB verde è mostrato nell'angolo anteriore destro del dispositivo con quattro connettori SMA che sporgono dal lato del laptop. Volevo esplorare l'idea di fornire uno slot vuoto che potesse essere utilizzato per progetti di elettronica personalizzati. A causa della complessità aggiuntiva e dei requisiti di spazio aggiuntivi, ho dovuto purtroppo omettere questo approccio nei passaggi successivi. C'è però un rimedio, che permetterà personalizzazioni in modi diversi—maggiori dettagli nel prossimo aggiornamento!

La tastiera

Ora, tutto ciò che manca per finalizzare la bozza della metà inferiore del laptop è una tastiera meccanica. Una tastiera meccanica offre diversi vantaggi che la rendono attraente per l'uso in questo progetto:

• Aspetto e sensazione migliorati / esperienza di scrittura rispetto a una tastiera a membrana;

• Diverse varianti di interruttori disponibili;

• Più facile da personalizzare e riparare;

• Facile da prototipare.

Gli svantaggi includono:

• Costosa;

• Requisiti di spazio aggiuntivi a causa dello spessore aggiunto associato a una maggiore corsa degli interruttori.

Sia Cherry MX che Kailh hanno nella loro gamma di prodotti un interruttore a chiave SMD ultra-basso profilo che sarebbe adatto in questa applicazione. L'altezza complessiva dell'interruttore è di 3,5mm nello stato non azionato. Il tasto aggiunge un'altra altezza di 0,6mm in cima. Con lo spessore della PCB della tastiera di 1,2mm, l'assemblaggio della tastiera utilizza 5,3mm nell'asse Z. La maggior parte dei laptop sottili e leggeri da 13 pollici sul mercato ha uno spessore di circa 15mm. L'assemblaggio della tastiera da solo occuperebbe un terzo dello spazio disponibile nella dimensione Z nel nostro caso. Integrare l'elettronica necessaria sotto la tastiera sarà una grande sfida progettuale.

Procedendo con un modello 3D rappresentativo dell'interruttore a chiave, è stata realizzata la prima bozza della tastiera e integrata nel bozzetto del sistema:

Vista dall'alto della bozza del modello CAD

La vista trasparente del case del laptop mostra i principali componenti che fanno parte della bozza fino ad ora. Quattro celle di batteria LiPo con 13,3Wh sono posizionate sotto il trackpad. Sul lato destro accanto al sistema di batteria è allocato dello spazio per il vano di espansione dell'elettronica personalizzata.

Lo spazio sotto la tastiera è occupato dalla scheda madre e dal raffreddatore della CPU.

Vista in wireframe della bozza del modello CAD

Lo schermo

Per completare la bozza del sistema, manca solo il coperchio del laptop e il pannello del display. Nella prima bozza ho scelto un pannello con risoluzione 1920x1080. Ci sono molti pannelli disponibili con quella risoluzione e fattori di forma simili a basso prezzo. Questo rende più facile trovare un pannello di sostituzione o cambiare produttore di pannelli nel caso in cui un pannello venga dismesso. Un rapporto di aspetto di 16:9 non è ideale per un'applicazione su dispositivo mobile, motivo per cui questo pannello è stato sostituito più avanti nel processo con uno schermo di risoluzione superiore 3:2.

Il pannello che ho selezionato come rappresentazione meccanica era un Innolux N133HCG-G52. Il datasheet di questo pannello era facile da trovare e il fattore di forma di questo pannello è piuttosto popolare. Ho modellato un modello 3D rappresentativo secondo il disegno del datasheet del pannello:

Screenshot che mostra il modello 3D del pannello di visualizzazione con un sovrapposizione del disegno meccanico

Mettere tutto insieme

Ora che sono disponibili gli schizzi per la maggior parte dei sottocomponenti possiamo mettere tutto insieme e visualizzare la prima bozza.

A tal fine, sto utilizzando Blender 3D. Blender è uno strumento gratuito e open source utilizzato per la modellazione 3D, il rendering, l'animazione, l'editing video e molto altro. Il potente motore di rendering basato su nodi all'interno di Blender consente di realizzare facilmente rendering di prodotti o configurazioni di visualizzazione di concetti.

Esportando il concetto meccanico del laptop in un formato .OBJ ci permette di importare questi dati CAD in Blender. Un file di libreria dei materiali con estensione .MTL viene creato insieme al file Oggetto all'atto dell'esportazione. Questo file di libreria dei materiali viene utilizzato da Blender per assegnare i materiali predefiniti agli oggetti mesh importati. Questi materiali predefiniti possono essere modificati per rappresentare l'aspetto desiderato dell'oggetto associato.

Assegnando i materiali corrispondenti la prima visualizzazione della bozza del concetto è terminata:

Prima bozza renderizzata del concetto di laptop che mostra la tastiera e lo schermo

Prima bozza renderizzata del concetto di laptop che mostra il retro del coperchio

Questo conclude l'impostazione della prima bozza meccanica del progetto di laptop open source!

Utilizzeremo questo modello CAD come punto di partenza per le prossime iterazioni di progettazione che prenderanno in considerazione tutti gli aspetti tecnici che abbiamo intenzionalmente trascurato in questa prima fase.

In questa prima fase di bozza, siamo stati in grado di estrarre alcune informazioni importanti:

• Lo spazio sotto la tastiera è molto limitato. Nel primo modello CAD di bozza c'è solo circa 3 - 4mm di spazio utilizzabile con cui possiamo lavorare;

• I connettori posizionati sul lato del laptop non possono sporgere più di 15mm all'interno del laptop, altrimenti entreranno in collisione con l'assemblaggio della tastiera. Questo pone alcune limitazioni sui tipi di connettori e di montaggio che possono essere utilizzati;

• Gli altoparlanti possono essere implementati solo a destra e a sinistra del retro della batteria con l'uscita acustica verso il lato o il fondo del laptop;

• Sono stati creati modelli di collisione dei connettori per tutte le interfacce utilizzate sul laptop.

Con la bozza iniziale completata, possiamo immergerci in aspetti più tecnici dell'intero progetto.

Rimanete sintonizzati per la prossima fase, dove esamineremo più da vicino la costruzione effettiva del laptop così come alcuni strumenti di simulazione molto utili che possiamo usare per valutare l'integrità meccanica del design.