コンセプトフェーズ - 初期CADデザイン

このオープンソースのラップトッププロジェクト開発ログのインストールメントでは、初期コンセプトとブレインストーミングフェーズをご紹介します。最初のステップは、エンドデバイスのアイデアと要件を収集し、できるだけ簡潔なドラフトに凝縮することです。この段階では技術的な詳細にあまり注意を払うことは重要ではありません。つまり、基盤を築き、さらなるステップで細分化して洗練させるためのフレームワークを作成することが重要です。

さあ、始めましょう。（ペンと紙が必要です）。

要件の概要

次のステップでの視覚化を容易にし、初期の製品仕様の基礎を提供するために、システムの機能的および美的要件を書き留めます。企業環境では、要件は市場調査と需要分析によって推進されます。

このプロジェクトは初めての試みであるため、顧客フィードバックやラップトップ市場の深い理解に頼ることはできません。提案されたラップトップのデザイン基準は、主に個人的なアイデア、経験、および調査に基づいています。

以下のポイントは、最終システムに反映させたい主要な技術的側面です：

• 薄型軽量フォームファクター;

• 重量1.6kg未満;

• 全体の厚さ20mm未満の13インチ;

• フォームファクター;

• 日常使用でUSB-Cのドングル/アダプターが不要;

• 少なくとも片側に1つのポートを持つ3つのフルサイズUSB-Aポート;

• フルサイズのHDMIポート 3.5mmヘッドフォンジャック;

• フルサイズのSDカードスロット USB-C経由での充電が可能で、どちらかの側に充電可能なポート;

• 異なるまたはカスタムレイアウトに簡単に交換できる機械式およびモジュラーキーボード;

• ハードウェアで有効/無効にできるマルチタッチトラックパッドウェブカメラとマイク;

• WiFiおよびBluetooth機能;

• 少なくとも350ニットの画面の明るさ;

• 蓋の開き角度は少なくとも140°;

• デバイスの底部に冷却用の空気取り入れ口がない;

• バッテリー、画面、メモリ、ストレージ、WiFi/Bluetoothカード、およびマザーボードなどのコンポーネントを簡単に修理およびアップグレード可能;

• 新しいx86 CPU;

• Win10/Win11での良好なパフォーマンス;

• プレミアムな外観と感触、および良好な剛性のための全体または部分的なアルミニウムケース。

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上記のリストにはいくつかの重要なパラメータが欠けています。これらのパラメータは優先度が低く、次のコンセプトおよび設計段階で対処されます。上記は技術的な詳細にあまり重点を置かずに、理想的なシステムを反映すべきですが、プロジェクトのオープンソース性質によっていくつかの厳しい制限が課されています。

多くの部品および関連する文書、特に消費者向け電子機器業界では、厳格なNDAおよびOEM契約の下でのみ利用可能です。オープンハードウェアプロジェクトに利用可能なオプションを最初に探求することなく、これらの部品および関連するパラメータを事前に指定することは無意味です。この探求の多くは、プロジェクトに過度の遅延を引き起こさないように、このプロジェクトと並行して行われます。

最初のCADモデル

コンセプトフェーズの早い段階で視覚的な表現を作成することは、創造的なプロセスを進めるのに役立ちます。予備的なCADモデルは、次のステップで時間と注意を要する主要な設計課題を特定するのにも役立ちます。私は、初期段階のスケッチと生産CADモデルを作成するために、直接モデラーのSpacelcaim Engineerを使用しています。

要件リストを念頭に置き、ラップトップアプリケーションに適したコネクタの3D CADモデルの選択をダウンロードしました。これらのCADモデルは、部品ベンダーのウェブサイトで利用可能です。

最初のスケッチのために、次のメーカーのオンラインカタログと3Dモデルライブラリを検索しました：

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• Würth Elektronik;

• Molex;

• TE Connectivity;

• Amphenol CS;

• ACES Electronics;

• LOTES CO.,LTD;

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コネクタの配置と間隔

ラップトップの側面にコネクタと対応する切り欠きを配置するのは、十分に簡単なように思えますよね？

要件リストで指定されたインターフェースがあり、今はそれらを均等に間隔を空けて、便利にアクセスできるように配置するだけです—少なくとも、それが考えでした。

どのインターフェースを後ろに配置し、どのコネクタをラップトップの前方に配置するかを決定する簡単なステップから始めます。このタスクを進める理由は、一度または二度接続される「静的」なインターフェースをラップトップの後ろに配置することです。これにより、USBスティックのようなものを接続する際にケーブルが邪魔にならないようにします—これは使用中に何度も簡単に発生する可能性があります。USBスティックがフィルターフェライトなどに引っかかってケーブルが誤って抜けるようなシナリオは、「静的」なケーブルがデバイスの後ろに配置されていれば簡単に回避できます。

リストの最初に「静的」接続として挙げられるのは、充電やドッキングステーションへの接続に最もよく使用されるUSB-Cコネクタです。どちらのシナリオでも、これらのインターフェースはデバイスを使用し始めたときに一度接続されます。

そのリストの2番目はHDMIコネクタです。ドッキングステーションがない場合、HDMIコネクタは複数回接続する必要がない恒久的なセットアップの一部である可能性が高いです。USB-AポートやSDカードスロットは、一回のセッション中に複数回使用される可能性があるため、充電やディスプレイケーブルと干渉しないように、ラップトップの前面に配置されています。

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CADモデルの後期バージョンにおけるコネクタの配置

これで、コネクタを互いにどれだけ離して配置するかを決定する時が来ました。この理由が重要なのは、これを読んでいる人なら誰でも見覚えのある状況を示す写真で最も簡単に要約できるからです：

この状況は非常に厄介です。もちろん、これらの衝突は、ケーブルを他のポートに移動するだけでは解決できない配置で典型的に発生します。上記の例では、USBスティックが機能するか画面が機能するかのどちらかですが、両方は決してありません。

この状況は、特に示された例が非常に大きなコネクタの2つの極端を使用しているため、特に発生しないと主張するかもしれません。それは真実かもしれませんが、個人のUSBケーブルのコレクションと、仕事で使用しているものの両方を数分間使ってみるだけで、上に示したような問題に遭遇する可能性もあります。これは、それほど珍しい状況ではないかもしれません。

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市場にはさまざまなコネクタのオーバーモールディングとハウジングが利用可能であるため、これらの重要な機械的特徴の最大寸法を指定することは良い考えであると思われるかもしれません。USBタイプAだけでなく、USB-C、HDMI、DisplayPortなどについても同様です。

USB.orgのドキュメントライブラリを見ると、「ケーブルおよびコネクタ仕様」と呼ばれるドキュメントタイプが見つかります。これらのドキュメントは、USB Type-CケーブルとUSB Type-Aケーブルの両方で利用可能です。機械仕様の一部には、対応するコネクタに使用すべき最大オーバーモールド寸法が含まれています。USB Type-Aインターフェースでは、最大オーバーモールド幅は16mm以下であるべきです。

しかし、多くのメーカーがその推奨に従わないため、コネクタ間隔を正しく指定することが少し難しくなります。

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仕様書に従うことが選択肢ではなかったため、物理的なUSBケーブルとUSBケーブルの3Dモデルの大規模なサンプルセットを取得しました。その後、最大寸法を手動で測定しました。

例えば3DcontentCentralやGrabCadには、素晴らしい3Dモデルを共有するエンジニアやデザイナーの大きなコミュニティがあります。私はこれらのライブラリやメーカーのウェブサイトをスキャンして、私のアプリケーションに適したあらゆる種類のコネクタやケーブルの3Dモデルを探しました。その後、これらのデータセットを手動測定とともに単一のCADファイルに統合しました。その結果、ラップトッププロジェクトで使用されるインターフェースの各メイトコネクタの最大バウンディングボックスが得られました。

このアプローチにより、隣接するコネクタ間の衝突の問題に遭遇しないとかなり自信を持っています。

3Dモデルと手動測定から作成されたバウンディングボックスモデルのスクリーンショット

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ラップトップ自体の概念的な3Dモデルに戻ります。上記のシステムに従ってコネクタを配置しました。次のスクリーンショットは、コネクタ配置の最初の反復を示しています。これらのコネクタ間の間隔はまだ小さすぎます。これは後の機械設計で更新されました。

ラップトップコンセプトの最初のCADモデル

外部インターフェースの理想的な配置が決まった後、内部の主要コンポーネントを配置して利用可能なスペースがどの程度あるかを把握し始めました。その際、最終的なシステムの高さを決定する上で重要なコンポーネントがどれかを特定しようと試みました。コンセプト段階で把握したいもう一つの重要な点は、システムの底から冷たい空気を吸い込まない冷却ソリューションをどのようにして作り出すかという選択肢が何かを見つけ出すことでした。

この段階では、設計時間を最小限に抑えるために主にメーカーのCADモデルに依存しています。使用される3Dモデルは必ずしも最終的な部品を反映しているわけではなく、3Dコンセプトのモデリングのためのプレースホルダーや視覚的な補助として機能します。

ラップトップの内部コンポーネントを大まかに配置した結果、以下のCADモデルが得られました：

内部コンポーネントの大まかな配置を示すCADモデルのスクリーンショット

上記のスケッチでは、ラップトップの側面から突き出ている4つのSMAコネクタを備えた緑色のPCBがデバイスの右前角に表示されています。カスタムエレクトロニクスプロジェクト用の空きスロットを提供するアイデアを探求したかったのですが、追加の複雑さと必要なスペースの増加のため、残念ながら次のステップでこのアプローチを省略する必要がありました。しかし、異なる方法でカスタマイズを可能にする解決策があります—次のアップデートで詳しく説明します！

キーボード

ラップトップの下半分のドラフトを完成させるために必要なのは、メカニカルキーボードだけです。メカニカルキーボードには、このプロジェクトで使用することに魅力を感じるいくつかの利点があります：

• メンブレンキーボードよりも改善された外観と感触 / タイピング体験；

• 利用可能なスイッチのバリエーションが複数ある；

• カスタマイズと修理が容易；

• プロトタイピングが容易。

欠点には以下が含まれます：

• 高価；

• 大きなスイッチトラベルに関連する厚みの増加により、追加のスペースが必要。

Cherry MXとKailhの両方には、このアプリケーションに適した超低プロファイルSMDキースイッチが製品ラインナップにあります。スイッチの全高は非動作状態で3.5mmです。キーキャップ自体がさらに上に0.6mmの高さを追加します。キーボードPCBの厚さが1.2mmで、キーボードアセンブリはZ軸で5.3mmを使用します。市場に出回っているほとんどの13インチ薄型・軽量ラップトップは、厚さが約15mmです。この場合、キーボードアセンブリだけで利用可能なスペースの3分の1をZ次元で占めます。キーボードの下に必要な電子機器を統合することは、大きな設計課題となります。

代表的なキースイッチの3Dモデルを進めると、最初のキーボードの草案が作成され、システムの草案に統合されました：

CADモデル草案のトップビュー

ラップトップケースの透明ビューは、これまでの草案の一部である主要コンポーネントを示しています。トラックパッドの下には、13.3WhのLiPoバッテリーセルが4つ配置されています。バッテリーシステムの右側には、カスタム電子機器の拡張ベイにスペースが割り当てられています。

キーボードの下のスペースは、マザーボードとCPUクーラーによって占められています。

CADモデル草案のワイヤーフレームビュー

画面

システム草案を完成させるために、欠けているのはラップトップの蓋とディスプレイパネルだけです。最初の草案では、1920x1080解像度のパネルが選ばれました。その解像度で類似のフォームファクターを持つ多くのパネルが低価格で利用可能です。これにより、パネルが廃止された場合に代替パネルを容易に調達したり、パネルメーカーを交換したりすることが容易になります。16:9のアスペクト比はモバイルデバイスアプリケーションには理想的ではありませんが、そのためこのパネルは後のプロセスでより高解像度の3:2スクリーンに置き換えられました。

私が機械的表現として選んだパネルはInnolux N133HCG-G52でした。このパネルのデータシートは簡単に見つかり、このパネルのフォームファクターはかなり人気があります。私はこのパネルのデータシートの図面に従って代表的な3Dモデルをモデリングしました：

機械図面のオーバーレイ付きディスプレイパネル3Dモデルを示すスクリーンショット

全てをまとめる

ほとんどのサブコンポーネントのスケッチが利用可能になったので、全てをまとめて最初のドラフトを視覚化できます。

その目的のために、私はBlender 3Dを使用しています。Blenderは3Dモデリング、レンダリング、アニメーション、ビデオ編集などに使用される無料かつオープンソースのツールです。Blender内の強力なノードベースのレンダリングエンジンにより、製品のレンダリングやコンセプトの視覚化のセットアップが容易になります。

ラップトップの機械的コンセプトを.OBJ形式でエクスポートすることで、このCADデータをBlenderにインポートできます。エクスポート時にオブジェクトファイルと一緒に.MTL拡張子を持つマテリアルライブラリファイルが作成されます。このマテリアルライブラリファイルは、インポートされたメッシュオブジェクトにデフォルトのマテリアルを割り当てるためにBlenderによって使用されます。これらのデフォルトマテリアルは、関連するオブジェクトの望ましい外観を表現するために変更することができます。

対応するマテリアルを割り当てることで、コンセプトドラフトの最初の視覚化が完成しました：

キーボードと画面を示すラップトップコンセプトの最初のレンダリングドラフト

蓋の裏側を示すラップトップコンセプトの最初のレンダリングドラフト

これで、オープンソースのラップトッププロジェクトの最初の機械的ドラフトの設定が完了しました！

このCADモデルを出発点として、最初の段階で意図的に見過ごした技術的な側面を考慮に入れる今後の設計の反復に取り組みます。

この最初のドラフト段階で、いくつかの重要な情報を抽出することができました：

• キーボードの下のスペースは非常に限られています。最初のドラフトCADモデルでは、作業できるスペースは約3 - 4mmしかありません。

• ラップトップの側面に配置されたコネクタは、キーボードアセンブリと衝突しないように、ラップトップ内部に15mm以上突出してはなりません。これは使用できるコネクタと取り付けタイプにいくつかの制限を課します。

• スピーカーは、バッテリーパックの右と左にのみ実装でき、音響出力はラップトップの側面または底面に向ける必要があります。

• ラップトップで使用されるすべてのインターフェースに対して、コネクタの衝突モデルが作成されました。

初期ドラフトを終えて、設計の全体的な技術的側面にもっと深く潜ることができます。

次の段階にご期待ください。ここでは、ラップトップの実際の構造についてより詳しく見ていくとともに、設計の機械的完整性を評価するために使用できる非常に役立つシミュレーションツールについても紹介します。