개념 단계 - 초기 CAD 디자인

이 오픈 소스 노트북 프로젝트 개발 로그의 이번 설치는 초기 개념 및 브레인스토밍 단계를 안내합니다. 첫 번째 단계는 최종 장치에 대한 아이디어와 요구 사항을 수집하고 가능한 한 간소화된 초안으로 압축하는 것입니다. 이 단계에서 기술적 세부 사항에 너무 많은 주의를 기울일 필요는 없습니다. 즉, 기초를 다지는 것이 중요합니다. 즉, 추가 단계에서 세분화하고 세련될 수 있는 프레임워크를 만드는 것입니다.

시작해봅시다. (펜과 종이가 필요합니다).

요구 사항 개요

다음 단계에서 시각화를 쉽게 하고 초기 제품 사양의 기초를 제공하기 위해 시스템의 기능적 및 미적 요구 사항을 적어보세요. 기업 환경에서는 요구 사항이 시장 조사와 수요 분석에 의해 주도됩니다.

이 프로젝트는 첫 번째이므로 고객 피드백이나 노트북 시장에 대한 깊은 이해에 의존할 수 없습니다. 제안된 노트북의 디자인 기준은 대부분 개인적인 아이디어, 경험 및 연구에서 비롯됩니다.

다음은 최종 시스템에 반영하고 싶은 주요 기술적 측면입니다:

• 얇고 가벼운 폼팩터;

• 무게 1.6kg 미만;

• 전체 두께 20mm 미만 13인치;

• 폼팩터;

• 매일 사용하는 경우 USB-C 동글/어댑터가 필요 없음;

• 최소 세 개의 전체 크기 USB-A 포트가 있으며 노트북의 양쪽에 최소 한 개의 포트가 있음;

• 전체 크기 HDMI 포트 3.5mm 헤드폰 잭;

• 전체 크기 SD 카드 슬롯 USB-C를 통한 충전으로 양쪽에 충전 가능한 포트가 있음;

• 다양한 또는 맞춤형 레이아웃으로 쉽게 교체할 수 있는 기계식 및 모듈식 키보드;

• 하드웨어에서 활성화/비활성화할 수 있는 멀티터치 트랙패드 웹캠 및 마이크;

• WiFi 및 Bluetooth 기능;

• 최소 350 니트 화면 밝기;

• 뚜껑 개방 각도 최소 140°;

• 장치 하단에 냉각을 위한 공기 흡입구 없음;

• 배터리, 화면, 메모리, 저장소, WiFi/Bluetooth 카드 및 메인보드와 같은 구성 요소를 쉽게 수리하고 업그레이드할 수 있음;

• 새로운 x86 CPU;

• Win10/Win11에서 좋은 성능;

• 고급스러운 외관과 좋은 강성을 위한 전체 또는 부분 알루미늄 케이스.

위 목록에서 몇 가지 중요한 매개변수가 누락되었습니다. 이 매개변수들은 우선 순위가 낮으며 다음 개념 및 설계 단계에서 다룰 예정입니다. 위의 내용은 기술적인 세부 사항에 너무 많은 강조를 두지 않고 이상적인 시스템을 반영해야 하지만, 프로젝트의 오픈 소스 성격에 의해 여전히 일부 엄격한 제한이 있습니다.

소비자 전자 제품 산업에서 특히 많은 부품과 관련 문서는 엄격한 NDA와 OEM 계약 하에만 제공됩니다. 오픈 하드웨어 프로젝트에 사용할 수 있는 옵션을 먼저 탐색하지 않고는 이러한 부품과 연결된 매개변수를 사전에 지정하는 것은 무의미합니다. 이러한 탐색의 많은 부분이 프로젝트와 병행하여 진행될 것이므로 너무 많은 지연을 초래하지 않을 것입니다.

첫 번째 CAD 모델

개념 단계에서 초기에 시각적 표현을 만드는 것은 창의적인 과정을 진행시키는 데 도움이 됩니다. 예비 CAD 모델은 다음 단계에서 시간과 주의가 필요한 주요 설계 과제를 식별하는 데에도 도움이 됩니다. 저는 초기 단계 스케치와 생산 CAD 모델을 생성하기 위해 직접 모델러 Spacelcaim Engineer를 사용합니다.

요구 사항 목록을 염두에 두고, 노트북 애플리케이션에 적합한 커넥터의 3D CAD 모델 선택을 다운로드했습니다. 이 CAD 모델은 부품 공급업체 웹사이트에서 사용할 수 있습니다.

첫 스케치를 위해, 다음 제조업체의 온라인 카탈로그와 3D 모델 라이브러리를 검색했습니다:

• Würth Elektronik;

• Molex;

• TE Connectivity;

• Amphenol CS;

• ACES Electronics;

• LOTES CO.,LTD;

• GCT.

커넥터 배치 및 간격 설정

노트북 측면에 커넥터와 해당 컷아웃을 배치하는 것은 충분히 쉬워 보입니다, 그렇죠?

요구 사항 목록에서 필요한 인터페이스가 지정되었으니, 이제 그것들을 균등하게 배치하고 편리하게 접근할 수 있도록 하는 것이 문제입니다. 적어도 그게 생각이었습니다.

어떤 인터페이스가 뒤쪽에 배치되고 어떤 커넥터가 노트북의 앞쪽으로 배열될지 결정하는 것부터 시작합니다. 이 작업을 수행하는 이유는 한 번이나 두 번 연결되는 “정적” 인터페이스를 노트북의 뒤쪽으로 배열하여 USB 스틱과 같은 것을 연결할 때 케이블이 방해가 되지 않도록 하기 위함입니다. 이는 사용 중에 여러 번 쉽게 발생할 수 있습니다. USB 스틱이 필터 페라이트에 걸리거나 비슷한 상황으로 인해 실수로 케이블이 뽑히는 것을 쉽게 피할 수 있습니다. 모든 “정적” 케이블이 장치의 뒤쪽으로 배열되어 있다면 말이죠.

리스트의 첫 번째 "정적" 연결은 충전이나 도킹 스테이션에 연결하는 데 사용될 가능성이 가장 높은 USB-C 커넥터입니다. 이러한 시나리오에서는 장치를 사용하기 시작할 때 한 번 연결됩니다.

그 목록의 두 번째는 HDMI 커넥터입니다. 도킹 스테이션이 없는 경우 HDMI 커넥터는 단일 사용 중에 여러 번 연결할 필요가 없는 영구적인 설정의 일부가 될 가능성이 가장 높습니다. USB-A 포트나 SD 카드 슬롯은 단일 세션 동안 여러 번 사용될 가능성이 높으므로, 연결된 장치가 충전이나 디스플레이 케이블과 간섭하지 않도록 노트북의 앞쪽에 배치됩니다.

CAD 모델의 후기 버전에서의 커넥터 배치

이제 커넥터들을 서로 얼마나 떨어뜨려야 할지 결정할 시간입니다. 이것이 중요한 이유는 다음과 같은 익숙한 상황을 보여주는 사진에서 가장 쉽게 요약됩니다:

이 상황은 매우 성가실 수 있습니다. 물론 이러한 충돌은 다른 포트로 케이블을 옮기는 것만으로는 간단히 해결될 수 없는 구성에서 주로 발생합니다. 위의 예에서는 USB 스틱이 작동하거나 화면이 작동하지만, 둘 다 동시에는 작동하지 않습니다.

이 상황은 특히 보여진 예제가 매우 큰 커넥터의 두 극단을 사용하기 때문에 발생할 가능성이 낮다고 주장할 수 있습니다. 그것이 사실일 수도 있지만, 개인적으로 소유한 USB 케이블과 직장에서 사용할 수도 있는 케이블을 몇 분만 사용해도 위와 같은 문제에 직면할 수 있다고도 주장할 수 있습니다. 결국 이런 상황은 그리 드문 일이 아닐 수도 있습니다.

시장에는 다양한 커넥터 오버몰딩과 하우징이 있어 이러한 중요한 기계적 특징의 최대 치수를 지정하는 것이 좋은 생각일 수 있다고 생각할 수 있습니다. USB 타입 A뿐만 아니라 USB-C, HDMI, DisplayPort 등에도 마찬가지입니다.

USB.org의 문서 라이브러리를 살펴보면 “케이블 및 커넥터 사양”이라는 문서 유형을 찾을 수 있습니다. 이 문서들은 USB Type-C 케이블과 USB Type-A 케이블 모두에 대해 제공됩니다. 기계 사양의 일부는 해당 커넥터에 사용되어야 하는 최대 오버몰딩 치수입니다. USB Type-A 인터페이스에서 최대 오버몰딩 너비는 16mm 이하여야 합니다.

그러나 많은 제조업체들이 그 권장 사항을 준수하지 않아 커넥터 간격을 올바르게 지정하기가 다소 어렵습니다.

사양 문서에 따라 진행하는 것이 옵션이 아니었기 때문에, 저는 물리적인 USB 케이블과 USB 케이블의 3D 모델을 더 많이 확보하기로 결정했습니다. 그런 다음, 최대 치수를 직접 측정했습니다.

3DcontentCentral이나 GrabCad와 같은 곳에서 활동하는 엔지니어와 디자이너들의 큰 커뮤니티가 있습니다. 이들은 멋진 3D 모델을 공유합니다. 저는 이러한 라이브러리와 제조업체 웹사이트를 검색하여 제 애플리케이션에 적합한 모든 종류의 커넥터와 케이블의 3D 모델을 찾았습니다. 그런 다음 이 모든 데이터 세트를 수동 측정과 함께 단일 CAD 파일로 병합했습니다. 결과는 노트북 프로젝트에서 사용된 인터페이스의 각 메이팅 커넥터에 대한 최대 경계 상자였습니다.

이 접근 방식을 통해 인접한 커넥터 간의 충돌 문제에 부딪히지 않을 것이라고 상당히 확신합니다.

3D 모델과 수동 측정을 통해 생성된 경계 상자 모델의 스크린샷

노트북 자체의 개념적 3D 모델로 돌아가서, 위에서 설명한 시스템을 따라 커넥터를 배치했습니다. 다음 스크린샷은 커넥터 배치의 첫 번째 반복을 보여줍니다. 이 커넥터들 사이의 간격은 여전히 너무 작습니다. 이는 나중에 기계 설계에서 업데이트되었습니다.

노트북 개념의 첫 CAD 모델

외부 인터페이스의 이상적인 배치가 완료되었으므로, 내부 주요 구성 요소를 배치하여 사용 가능한 공간이 얼마나 되는지 가늠해 보기 시작했습니다. 이 과정에서 최종 시스템의 높이를 결정하는 데 중요한 구성 요소가 무엇인지 식별하려고 노력했습니다. 개념 단계에서 파악하고 싶었던 또 다른 중요한 측면은 시스템 하단에서 차가운 공기를 끌어들이지 않는 냉각 솔루션을 만들 수 있는 옵션이 무엇인지였습니다.

이 단계에서는 설계 시간을 최소화하기 위해 주로 제조업체 CAD 모델에 의존하고 있습니다. 사용된 3D 모델은 반드시 최종 부품을 반영하는 것은 아니며, 3D 개념 모델링을 위한 플레이스홀더나 시각적 도움으로 작용합니다.

노트북 내부 구성 요소를 대략적으로 배치한 결과 다음과 같은 CAD 모델이 나왔습니다:

내부 구성 요소의 대략적인 배치를 보여주는 CAD 모델 스크린샷

위 스케치에서는 노트북 측면에서 네 개의 SMA 커넥터가 튀어나온 오른쪽 앞쪽 모서리에 녹색 PCB가 표시됩니다. 맞춤형 전자 프로젝트에 사용할 수 있는 빈 슬롯을 제공하는 아이디어를 탐색하고 싶었습니다. 추가 복잡성과 추가 공간 요구 사항으로 인해 다음 단계에서는 이 접근 방식을 불행히도 생략해야 했습니다. 그러나 다른 방식으로 맞춤 설정을 허용하는 해결책이 있습니다—다음 업데이트에서 더 자세히 알려드리겠습니다!

키보드

이제 노트북 하단의 초안을 완성하기 위해 필요한 것은 기계식 키보드뿐입니다. 기계식 키보드는 이 프로젝트에서 사용하기에 매력적인 여러 가지 장점을 제공합니다:

• 막 키보드보다 개선된 외관과 느낌 / 입력 경험;

• 여러 가지 스위치 변형 가능;

• 맞춤 설정 및 수리가 용이함;

• 프로토타입 제작이 쉬움.

단점은 다음과 같습니다:

• 비쌈;

• 큰 스위치 여행으로 인해 더 많은 공간 요구 사항이 추가됨.

Cherry MX와 Kailh 모두 이 응용 프로그램에 적합한 초저 프로파일 SMD 키스위치를 제품 라인업에 포함하고 있습니다. 스위치의 전체 높이는 비작동 상태에서 3.5mm입니다. 키캡 자체가 추가로 0.6mm 높이를 더합니다. 키보드 PCB 두께가 1.2mm인 경우, 키보드 조립체는 Z축에서 5.3mm를 사용합니다. 시장에 나와 있는 대부분의 13인치 얇고 가벼운 노트북은 두께가 약 15mm입니다. 키보드 조립체만으로도 우리 사례에서 사용 가능한 공간의 3분의 1을 Z 차원에서 차지합니다. 키보드 아래에 필요한 전자 장치를 통합하는 것은 주요 설계 도전 과제가 될 것입니다.

대표적인 키스위치 3D 모델을 사용하여 첫 번째 키보드 초안이 작성되어 시스템 초안에 통합되었습니다:

CAD 모델 초안의 상단 뷰

노트북 케이스의 투명한 뷰는 지금까지 초안에 포함된 주요 구성 요소를 보여줍니다. 트랙패드 아래에는 13.3Wh의 네 개의 LiPo 배터리 셀이 배치되어 있습니다. 배터리 시스템 옆 오른쪽에는 맞춤형 전자 확장 베이에 할당된 공간이 있습니다.

키보드 아래 공간은 메인보드와 CPU 쿨러가 차지하고 있습니다.

CAD 모델 초안의 와이어프레임 뷰

화면

시스템 초안을 완성하기 위해 필요한 것은 노트북 뚜껑과 디스플레이 패널뿐입니다. 첫 번째 초안에서는 1920x1080 해상도의 패널을 선택했습니다. 이 해상도에는 유사한 형태 요소를 가진 많은 패널이 저렴한 가격에 제공되므로 패널이 단종되는 경우 대체 패널을 쉽게 구하거나 패널 제조업체를 교체할 수 있습니다. 16:9 종횡비는 모바일 기기 응용 프로그램에 이상적이지 않기 때문에 이후 과정에서 해상도가 더 높은 3:2 화면으로 교체되었습니다.

제가 기계적 대표로 선택한 패널은 Innolux N133HCG-G52였습니다. 이 패널의 데이터시트는 쉽게 찾을 수 있었고 이 패널의 형태 요소는 꽤 인기가 있습니다. 데이터시트 도면에 따라 대표적인 3D 모델을 모델링했습니다:

기계 도면이 겹쳐진 디스플레이 패널 3D 모델을 보여주는 스크린샷

모든 것을 함께 조립하기

이제 대부분의 부품에 대한 스케치가 준비되었으므로, 모든 것을 함께 조립하고 첫 번째 초안을 시각화할 수 있습니다.

이 목적을 위해 저는 Blender 3D를 사용하고 있습니다. Blender는 3D 모델링, 렌더링, 애니메이션, 비디오 편집 등에 사용되는 무료이자 오픈 소스 도구입니다. Blender 내의 강력한 노드 기반 렌더링 엔진은 제품 렌더링이나 개념 시각화 설정을 쉽게 할 수 있게 해줍니다.

노트북의 기계적 개념을 .OBJ 형식으로 내보내면 이 CAD 데이터를 Blender로 가져올 수 있습니다. Object 파일을 내보낼 때 .MTL 확장자를 가진 재질 라이브러리 파일이 함께 생성됩니다. 이 재질 라이브러리 파일은 Blender가 가져온 메시 객체에 기본 재질을 할당하는 데 사용됩니다. 이러한 기본 재질은 관련 객체의 원하는 모양을 나타내도록 수정할 수 있습니다.

해당 재질을 할당함으로써 개념 초안의 첫 시각화가 완성되었습니다:

키보드와 화면을 보여주는 노트북 개념의 첫 렌더링 초안

뚜껑 뒷면을 보여주는 노트북 개념의 첫 렌더링 초안

이로써 오픈 소스 노트북 프로젝트의 첫 기계적 초안 설정이 마무리되었습니다!

이 CAD 모델을 시작점으로 삼아 이번 첫 단계에서 일부러 간과했던 모든 기술적 측면을 고려하여 다가오는 디자인 반복 작업을 진행할 것입니다.

이 첫 번째 초안 단계에서 우리는 몇 가지 중요한 정보를 추출할 수 있었습니다:

• 키보드 아래 공간이 매우 제한되어 있습니다. 첫 번째 초안 CAD 모델에서는 사용할 수 있는 공간이 대략 3 - 4mm밖에 되지 않습니다;

• 노트북 측면에 배치된 커넥터는 키보드 조립체와 충돌하지 않도록 15mm 이상 노트북 안으로 돌출될 수 없습니다. 이는 사용할 수 있는 커넥터와 마운팅 유형에 일정한 제한을 둡니다;

• 스피커는 배터리 백의 오른쪽과 왼쪽에만 구현될 수 있으며, 음향 출력은 노트북의 측면이나 바닥을 향해야 합니다;

• 노트북에 사용된 모든 인터페이스에 대해 커넥터 충돌 모델이 생성되었습니다.

초안을 마무리하고 나면, 전체 디자인의 더 기술적인 측면에 대해 더 깊이 파고들 수 있습니다.

다음 단계를 기대해 주세요. 여기서는 노트북의 실제 구조와 디자인의 기계적 무결성을 평가하는 데 사용할 수 있는 몇 가지 매우 유용한 시뮬레이션 도구에 대해 자세히 살펴볼 것입니다.