Fase di Progettazione – Meccanica dell'Assemblaggio del Coperchio Parte 1

Ben tornati al progetto del laptop open-source! In questo aggiornamento ci addentreremo nella progettazione meccanica del coperchio del laptop. In precedenza, abbiamo esplorato quali pannelli di visualizzazione sono disponibili e quali sarebbero i più adatti per la nostra applicazione. La nostra ricerca è stata coronata da successo così come il test del pannello! Ora inizia la parte difficile: inserire tutto in un sistema che non sia solo robusto e funzionale, ma che abbia anche un bell'aspetto.

Anche se il titolo di questo aggiornamento è meccanica dell'assemblaggio del coperchio, la linea tra progettazione elettrica e meccanica si sfumerà parecchio, come state per vedere. Tuttavia, questa è la natura di un tale progetto. Molte decisioni dal lato meccanico hanno un'influenza diretta sulla progettazione elettrica e viceversa. Naturalmente, dobbiamo guardare entrambi gli aspetti contemporaneamente.

Revisione 1.0 del PCB della webcam

Materiale e metodo di produzione

Una delle prime domande a cui dobbiamo rispondere è quale materiale utilizzare e come produrre il coperchio. Questo avrà un impatto diretto sulle forme che possiamo modellare nel coperchio e sui costi associati. L'ultimo punto è particolarmente importante poiché al momento della scrittura non stiamo guardando a un design di prodotto di altissimo volume. Questo limita la scelta delle tecniche di produzione, poiché i processi che comportano costi di attrezzatura elevati attualmente non sono un'opzione. I processi di formatura della lamiera e qualsiasi variante delle tecniche di fusione sono quindi esclusi. Entrambe le tecniche di produzione richiedono stampi costosi o matrici di stampaggio che non sono economicamente vantaggiosi per quantità inferiori.

L'unica opzione praticabile rimasta che offre anche un aspetto moderno e robusto è lavorare il coperchio da un blocco solido di alluminio. I prototipi lavorati a CNC sono relativamente economici e hanno tempi di consegna brevi. I costi di configurazione associati per le parti lavorate sono piuttosto moderati grazie ai moderni programmi CAM che possono automatizzare la programmazione delle macchine fino a un certo punto.

Sapendo che la lavorazione CNC sarà il processo di produzione scelto, possiamo procedere con la modellazione 3D.

Modellazione 3D del coperchio

Inizieremo con l'integrazione del pannello di visualizzazione. A tal fine possiamo utilizzare il file STEP 3D del pannello e dei supporti di montaggio forniti da Framework:

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

Per iniziare, la forma di base del coperchio è semplicemente un rettangolo con angoli arrotondati e una tasca per il pannello del display:

Forma di base del coperchio del laptop

Poiché l'intera parte sarà lavorata da un unico blocco di alluminio, possiamo già progettare tutte le caratteristiche necessarie per montare il display. Grazie ai supporti preinstallati sul display, abbiamo bisogno solo di fornire un filetto interno M2 e un perno di allineamento per montare il pannello.

L'altezza dei distanziatori è scelta in modo che il pannello non giaccia piatto sul vassoio di alluminio. Invece, c'è un gap di 1mm tra il pannello e il vassoio del coperchio. Questa è una caratteristica di design molto importante che assicura che la parte sensibile posteriore del pannello non faccia mai contatto diretto con il vassoio di alluminio poiché si flette quando il coperchio viene aperto.

Flessione del coperchio del laptop

Perché il coperchio del laptop dovrebbe flettersi comunque, non è l'obiettivo di design creare un coperchio sottile ma robusto che protegge il pannello del display e non si piega durante l'uso?

Anche se questo potrebbe essere il caso ideale, nella realtà dobbiamo trovare un buon compromesso tra peso, spessore e rigidità. Potremmo costruire un coperchio molto robusto che non si piega affatto, ma ciò richiederebbe uno spessore del materiale elevato che risulterebbe in uno spessore complessivo dell'intero laptop aumentato e aggiungerebbe anche molto peso. Vogliamo rendere il coperchio il più sottile e leggero possibile mantenendo sotto controllo la deflessione.

Possiamo approssimare lo spessore ideale del materiale eseguendo alcune simulazioni di elasticità sul nostro modello CAD. Poiché conosciamo la forza approssimativa che deve essere applicata per aprire il laptop, possiamo usarla come input di simulazione per calcolare la deflessione del coperchio. Poiché non sappiamo ancora come verrà montato il vetro di copertura, non farà parte della simulazione.

Illustrazione della deflessione del coperchio quando si apre il laptop da un solo angolo

Integrazione della scheda webcam

Con il pannello del display posizionato e lo spessore del materiale correttamente determinato possiamo iniziare a pensare a come vogliamo integrare la PCB della webcam. Come nella maggior parte dei laptop, la webcam del nostro sistema è posizionata al centro sopra lo schermo, nella cornice dello schermo. Questa è la collocazione più intuitiva per la webcam, ma lascia solo un piccolo spazio tra il pannello e il coperchio con cui lavorare.

Prima di iniziare la progettazione e posizionare la webcam e i blocchi funzionali circostanti nel modello CAD, dobbiamo prima esaminare più da vicino quali componenti si trovano sulla scheda della webcam e cosa dobbiamo considerare quando li installiamo. Il seguente diagramma mostra che abbiamo molti più blocchi funzionali oltre alla webcam che saranno posizionati sulla scheda della webcam:

Illustrazione dei blocchi funzionali posizionati sulla scheda della webcam

Qui le cose si complicano un po' quando si tratta di integrare la PCB della webcam. Dobbiamo determinare la collocazione di quattro principali blocchi funzionali sulla PCB della webcam. Solo uno di questi blocchi può essere adattato alle nostre esigenze da un punto di vista meccanico, ed è quello dei touchpad per attivare e disattivare le funzioni critiche per la privacy. Gli altri tre blocchi funzionali consistono principalmente in componenti singoli, come il sensore di luce ambientale. Diamo un'occhiata rapida ai singoli componenti per evidenziare i requisiti di progettazione meccanica specifici per ciascuna parte.

Sensore di luce ambientale

Il sensore di luce ambientale di Vishay Semiconductors è un VEML3235. È contenuto in un piccolo pacchetto di plastica di 2,0mm x 2,0mm x 0,87mm con una parte superiore trasparente: https://www.vishay.com/en/product/80131/.

Immagine ravvicinata del sensore di luce ambientale VEML3235

La parte di rilevamento ottico del die si trova quasi al centro del pacchetto. Affinché il sensore di luce funzioni correttamente a bassi livelli di luce ambientale, è necessario posizionarlo il più vicino possibile a una finestra di visualizzazione nel vetro di copertura. La nota applicativa per il VEML3235 ci mostra come calcolare la dimensione della finestra in base alla distanza della parte dalla finestra di visualizzazione. L'aspetto più importante per noi è che dobbiamo posizionare il sensore il più vicino possibile alla parte inferiore del vetro di copertura. Quando iniziamo a progettare la stampa del vetro di copertura, dobbiamo tornare alla nota applicativa e pianificare la dimensione corretta della finestra di visualizzazione.

Screenshot della nota applicativa di integrazione del VEML3235

Microfoni MEMS doppi

Il microfono utilizzato nel nostro sistema è un Knowles SPK0641HT4H-1. Due microfoni saranno utilizzati a sinistra e a destra della fotocamera per registrare il suono stereo. La situazione di montaggio per questi due microfoni è simile a quella del sensore di luce ambientale. Vogliamo posizionare le porte del microfono il più vicino possibile al corrispondente foro nel vetro di copertura. Vorremmo anche posizionare una guarnizione in schiuma attorno al microfono per creare una "guida" tra il porto nel vetro di copertura e il microfono, ma ciò farà parte della prossima revisione della scheda del microfono.

Microfono MEMS Knowles SPK0641HT4H-1

Sensore della fotocamera webcam

Ultimo, ma non meno importante, abbiamo il sensore di immagine per webcam OmniVision OV2740. Il sensore di immagine stesso ha uno spessore totale di soli circa 0,8mm. Molto più interessante per noi ora è l'altezza totale del sensore più l'assemblaggio della micro lente che si troverà sopra il sensore. Ci sono diversi tipi di lenti disponibili ma la maggior parte di esse ha un'altezza totale di circa 4mm. Questo significa che il sensore di immagine deve essere posizionato ad almeno 4mm più un certo margine di distanza dalla parte inferiore del vetro di copertura.

Sensore di immagine OmniVision OV2740

Scheda circuitale della webcam

Ci troviamo ora di fronte alla sfida di dover alloggiare più componenti con differenti requisiti di altezza su un unico PCB sotto il vetro di copertura. Esistono diversi modi per realizzare ciò sia meccanicamente che elettricamente. Esploreremo almeno due approcci con due revisioni del PCB della fotocamera. Un modo per farlo è utilizzare un PCB flessibile con diversi tipi e spessori di rinforzi.

Diversi spessori di rinforzi creano una scheda con più livelli di altezza

Andremo a esaminare più da vicino il PCB stesso nella parte di progettazione elettrica del coperchio. Per ora, concentriamoci su come è montata la PCB della webcam. La sezione centrale della scheda utilizza un rinforzo in acciaio inossidabile di 0,2 mm. Questa sezione centrale contiene il sensore di immagine e un connettore da scheda a scheda per collegare la webcam alla scheda madre. Grazie allo spessore ridotto del rinforzo possiamo soddisfare il requisito di altezza di 4 mm dell'obiettivo della fotocamera posizionando questa sezione in una piccola tasca fresata nel coperchio del laptop.

Nell'immagine qui sotto, puoi vedere due piccoli perni di allineamento fresati nella tasca della fotocamera. Questi si inseriranno nei due piccoli fori vicino al bordo sinistro e destro del rinforzo in acciaio inossidabile. Questi perni assicureranno che la scheda e soprattutto l'obiettivo della fotocamera siano allineati alla finestra di visualizzazione nel vetro di copertura.

PCB della webcam con fori di allineamento

L'immagine sopra potrebbe già indicare come l'intera scheda è montata nel sistema. Tuttavia, dobbiamo ancora assicurarci che la sezione centrale del PCB sia perfettamente a filo nella tasca lavorata e non si sposti o addirittura salti fuori dai perni di allineamento quando sottoposta a forti vibrazioni o urti.

Queste e molte altre domande riceveranno risposta nel prossimo aggiornamento! Dobbiamo ancora affrontare alcune sfide con il design meccanico del coperchio prima di poter procedere con il design elettrico. Spero che continuerete a seguire anche i prossimi aggiornamenti!