Faza koncepcyjna – Wstępny projekt CAD

Ten odcinek dziennika rozwoju projektu laptopa open source przeprowadzi Cię przez wczesną fazę koncepcji i burzy mózgów. Pierwszym krokiem jest zebranie pomysłów i wymagań dotyczących końcowego urządzenia oraz ich jak najlepsze skondensowanie w uproszczony szkic. Na tym etapie nie jest ważne, aby zbytnio skupiać się na szczegółach technicznych – chodzi o położenie fundamentów, czyli stworzenie ram, które mogą być dzielone i dopracowywane w dalszych krokach.

Zaczynajmy. (Będziesz potrzebować długopisu i kartki papieru).

Nakreśl wymagania

Zapisz funkcjonalne i estetyczne wymagania systemu, aby ułatwić wizualizację w następnym kroku i zapewnić podstawę dla wczesnej specyfikacji produktu. W środowisku korporacyjnym wymagania są napędzane przez badania rynku i analizę popytu.

Ponieważ ten projekt jest pierwszym tego rodzaju, nie mogę polegać na opinii klientów ani głębokim zrozumieniu rynku laptopów. Kryteria projektowe proponowanego laptopa są w dużej mierze napędzane osobistymi pomysłami, doświadczeniami i badaniami.

Poniższe punkty są kluczowymi aspektami technicznymi, które chciałbym zobaczyć odzwierciedlone w końcowym systemie:

• Cienka i lekka forma;

• Waga poniżej 1,6 kg;

• Całkowita grubość poniżej 20 mm 13”;

• Forma;

• Brak potrzeby używania dongli/adapterów USB-C w codziennych przypadkach użycia;

• Co najmniej trzy pełnowymiarowe porty USB-A z co najmniej jednym portem po każdej stronie laptopa;

• Pełnowymiarowy port HDMI Gniazdo słuchawkowe 3,5 mm;

• Pełnowymiarowy slot na kartę SD Ładowanie przez USB-C z portami umożliwiającymi ładowanie po obu stronach;

• Mechaniczna i modułowa klawiatura, którą można łatwo wymienić na inne lub niestandardowe układy;

• Trackpad wielodotykowy Kamera internetowa i mikrofon, które można włączać/wyłączać sprzętowo;

• Funkcjonalność WiFi i Bluetooth;

• Jasność ekranu co najmniej 350 nitów;

• Kąt otwarcia pokrywy co najmniej 140°;

• Brak dolnego wlotu powietrza do chłodzenia urządzenia;

• Łatwość naprawy i modernizacji komponentów takich jak bateria, ekran, pamięć, przechowywanie, karta WiFi/Bluetooth i płyta główna;

• Nowoczesny procesor x86;

• Dobra wydajność z Win10/Win11;

• Obudowa w całości lub częściowo z aluminium dla luksusowego wyglądu i uczucia oraz dobrej sztywności.

W powyższej liście brakuje kilku ważnych parametrów. Są one mniej priorytetowe i zostaną rozpatrzone podczas następnych etapów koncepcji i projektowania. Chociaż powyższe powinno odzwierciedlać idealny system bez zbytniego skupiania się na szczegółach technicznych, istnieją pewne trudne ograniczenia narzucone na projekt przez jego otwartoźródłową naturę.

Wiele części oraz powiązana z nimi dokumentacja - szczególnie w przemyśle elektroniki użytkowej - jest dostępna tylko na mocy ścisłych NDA i kontraktów OEM. Określanie tych części i związanych z nimi parametrów z góry jest bezcelowe bez najpierw zbadania, które opcje są dostępne dla projektu sprzętu otwartego. Wiele z tych poszukiwań będzie miało miejsce równolegle do tego projektu, aby nie powodować zbyt dużego opóźnienia.

Pierwszy model CAD

Stworzenie wizualnej reprezentacji na wczesnym etapie fazy koncepcyjnej pomaga przyspieszyć proces twórczy. Wstępny model CAD pomaga również zidentyfikować główne wyzwania projektowe, które wymagać będą czasu i uwagi w kolejnych krokach. Do stworzenia moich wczesnych szkiców i modeli CAD produkcji używam bezpośredniego modelera Spacelcaim Engineer.

Mając na uwadze listę wymagań, pobrałem wybór modeli 3D CAD złączy, które byłyby odpowiednie dla zastosowania w laptopie. Te modele CAD są dostępne na stronie internetowej dostawcy części.

Dla pierwszego szkicu przeszukałem katalog online i bibliotekę modeli 3D następujących producentów:

• Würth Elektronik;

• Molex;

• TE Connectivity;

• Amphenol CS;

• ACES Electronics;

• LOTES CO.,LTD;

• GCT.

Umieszczanie i rozmieszczanie złączy

Umieszczenie złączy i odpowiednich wycięć na boku laptopa wydaje się być wystarczająco proste, prawda?

Interfejsy, które były wymienione na liście wymagań, są już określone, teraz wystarczy je tylko równomiernie rozmieścić i umieścić w dogodnie dostępnych miejscach - przynajmniej taki był plan.

Zacznij od łatwiejszego kroku, aby określić, które interfejsy umieścić z tyłu, a które złącza są rozmieszczone bliżej przedniej części laptopa. Powodem, dla którego podążam za tym zadaniem, jest rozmieszczenie wszystkich „statycznych” interfejsów, które są podłączane raz lub dwa razy podczas jednego cyklu użytkowania, z tyłu laptopa. Dzięki temu nie masz żadnych kabli w drodze podczas podłączania czegoś takiego jak pendrive, co może łatwo zdarzyć się kilka razy podczas użytkowania. Przypadkowe odłączanie kabli, ponieważ pendrive zahaczył o dławik ferrytowy lub podobny scenariusz, może być łatwo uniknięte, jeśli wszystkie „statyczne” kable są rozmieszczone z tyłu urządzenia.

Na początku listy „statycznych” połączeń znajdują się złącza USB-C, które najprawdopodobniej są używane do ładowania lub do połączenia ze stacją dokującą. W obu scenariuszach te interfejsy są podłączane raz, gdy zaczynasz używać urządzenia.

Drugim na tej liście jest złącze HDMI. Bez stacji dokującej złącze HDMI najprawdopodobniej będzie częścią stałej konfiguracji, która nie wymaga wielokrotnego podłączania podczas jednego użytkowania. Porty USB-A lub slot na kartę SD prawdopodobnie będą używane wielokrotnie podczas jednej sesji, dlatego są umieszczone bliżej przedniej części laptopa, gdzie podłączone urządzenia nie kolidują z kablami do ładowania lub wyświetlacza.

Układ złączy w późniejszej wersji modelu CAD

Teraz nadszedł czas, aby zdecydować, jak daleko od siebie powinny być rozmieszczone złącza. Powód, dla którego jest to ważne, najlepiej podsumowuje obrazek, który pokazuje sytuację znajomą każdemu, kto to czyta:

Ta sytuacja może być bardzo irytująca. Oczywiście te kolizje zazwyczaj pojawiają się w konstelacjach, które nie mogą być rozwiązane po prostu przez przestawienie kabli do innych portów. W powyższym przykładzie albo działa pendrive USB, albo ekran — ale nigdy oba naraz.

Można by argumentować, że ta sytuacja jest mało prawdopodobna, zwłaszcza że pokazany przykład używa dwóch skrajności bardzo dużych złączy. Chociaż to może być prawda, można również argumentować, że wystarczy chwila z własną kolekcją kabli USB i tymi, których możesz używać w pracy, aby natknąć się na problem, jak pokazano powyżej. Może to być sytuacja, która wcale nie jest tak rzadka.

Przy tak szerokiej różnorodności form złączy i obudów dostępnych na rynku można by pomyśleć, że dobrym pomysłem jest określenie maksymalnych wymiarów tych krytycznych cech mechanicznych. Nie tylko dla USB typu A, ale również dla USB-C, HDMI, DisplayPort i tak dalej.

Przeglądając bibliotekę dokumentów na stronie USB.org, możemy znaleźć typ dokumentu o nazwie „Specyfikacja kabli i złączy”. Dokumenty te dostępne są zarówno dla kabli USB typu C, jak i kabli USB typu A. Częścią specyfikacji mechanicznych są maksymalne wymiary formowania, które powinny być stosowane dla odpowiednich złączy. W przypadku interfejsu USB typu A, maksymalna szerokość formowania powinna być równa lub mniejsza niż 16 mm.

Jednakże wielu producentów nie stosuje się do tej zalecenia, co utrudnia właściwe określenie odstępów między złączami.

Ponieważ korzystanie z dokumentu specyfikacji nie było opcją, postanowiłem zdobyć większy zestaw próbek fizycznych kabli USB oraz modele 3D kabli USB. Następnie ręcznie zmierzyłem maksymalne wymiary.

Istnieje duża społeczność inżynierów i projektantów, na przykład na 3DcontentCentral lub GrabCad, którzy dzielą się swoimi niesamowitymi modelami 3D. Przeszukałem te biblioteki, jak również strony internetowe producentów w poszukiwaniu modeli 3D wszelkiego rodzaju złączy i kabli, które pasowałyby do mojej aplikacji. Następnie połączyłem wszystkie te zbiory danych w jeden plik CAD wraz z pomiarami ręcznymi. Wynikiem było maksymalne pole ograniczające dla każdego złącza w projektowanym laptopie.

Dzięki temu podejściu jestem dość pewny, że uniknę problemu kolizji między sąsiednimi złączami.

Zrzut ekranu modelu pola ograniczającego utworzonego z modeli 3D i pomiarów ręcznych

Wróćmy do koncepcyjnego modelu 3D samego laptopa. Rozmieszczenie złączy zaplanowałem w sposób, który odpowiada wyżej opisanemu systemowi. Poniższy zrzut ekranu pokazuje pierwszą iterację rozmieszczenia złączy. Należy zauważyć, że odstępy między tymi złączami są jeszcze zbyt małe. Zostało to później zaktualizowane w projekcie mechanicznym.

Pierwszy model CAD koncepcji laptopa

Po umieszczeniu zewnętrznych interfejsów w idealnej pozycji, zacząłem układać wewnętrzne kluczowe komponenty, aby ocenić, ile miejsca jest dostępne. Podczas tego procesu starałem się zidentyfikować, które komponenty są kluczowe dla określenia wysokości końcowego systemu. Innym ważnym aspektem, który chciałem rozgryźć na etapie koncepcyjnym, były dostępne opcje stworzenia rozwiązania chłodzącego, które nie zasysa chłodnego powietrza od dołu systemu.

Na tym etapie wciąż głównie polegam na modelach CAD od producentów, aby czas projektowania był minimalny. Używane modele 3D niekoniecznie odzwierciedlają finalną część, ale raczej działają jako miejsce zastępcze lub pomoc wizualna dla modelowania koncepcji 3D.

Przybliżone rozmieszczenie wewnętrznych komponentów laptopa zaowocowało następującym modelem CAD:

Zrzut ekranu modelu CAD pokazujący przybliżone rozmieszczenie wewnętrznych komponentów

Na powyższym szkicu, zielona płyta PCB jest pokazana w prawym przednim rogu urządzenia z czterema złączami SMA wystającymi z boku laptopa. Chciałem zbadać pomysł dostarczenia pustego slotu, który mógłby być używany do własnych projektów elektronicznych. Ze względu na dodatkową złożoność i zwiększone wymagania przestrzenne, niestety musiałem zrezygnować z tego podejścia w kolejnych krokach. Istnieje jednak rozwiązanie, które pozwoli na dostosowania na różne sposoby — więcej na ten temat w następnej aktualizacji!

Klawiatura

Teraz, aby sfinalizować projekt dolnej części laptopa, brakuje tylko mechanicznej klawiatury. Mechaniczna klawiatura ma kilka zalet, które czynią ją atrakcyjną do użycia w tym projekcie:

• Poprawiony wygląd i odczucie / doświadczenie pisania w porównaniu do klawiatury membranowej;

• Kilka wariantów przełączników do wyboru;

• Łatwiejsza do dostosowania i naprawy;

• Łatwa do prototypowania.

Wady obejmują:

• Droższa;

• Zwiększone wymagania przestrzenne ze względu na większą grubość związaną z większym skokiem przełącznika.

Zarówno Cherry MX, jak i Kailh mają w swojej ofercie przełączniki klawiszowe SMD o ultra-niskim profilu, które nadawałyby się do tego zastosowania. Całkowita wysokość przełącznika w stanie nieaktywowanym wynosi 3,5 mm. Klawisz dodaje kolejne 0,6 mm wysokości. Przy grubości PCB klawiatury wynoszącej 1,2 mm, montaż klawiatury zajmuje 5,3 mm w osi Z. Większość 13-calowych, cienkich i lekkich laptopów na rynku ma grubość około 15 mm. Sam montaż klawiatury zajmowałby jedną trzecią dostępnego miejsca w wymiarze Z w naszym przypadku. Zintegrowanie niezbędnej elektroniki pod klawiaturą będzie dużym wyzwaniem projektowym.

Idąc dalej z reprezentatywnym modelem 3D przełącznika klawisza, pierwszy projekt klawiatury został rozplanowany i zintegrowany z projektem systemu:

Widok z góry projektu modelu CAD

Przezroczysty widok obudowy laptopa pokazuje główne komponenty, które są częścią projektu do tej pory. Pod trackpadem umieszczone są cztery ogniwa baterii LiPo o pojemności 13,3Wh. Po prawej stronie obok systemu baterii zarezerwowano miejsce na niestandardową elektronikę rozszerzeń.

Przestrzeń pod klawiaturą zajmują płyta główna i chłodzenie CPU.

Widok przestrzenny projektu modelu CAD

Ekran

Aby ukończyć projekt systemu, brakuje tylko pokrywy laptopa i panelu wyświetlacza. W pierwszym projekcie zdecydowałem się na panel o rozdzielczości 1920x1080. Na rynku dostępnych jest wiele paneli o tej rozdzielczości z podobnymi formami, co ułatwia znalezienie zamiennego panelu lub zmianę producenta panelu w przypadku jego wycofania. Proporcje 16:9 nie są idealne dla aplikacji urządzenia mobilnego, dlatego ten panel został później zastąpiony ekranem o wyższej rozdzielczości 3:2.

Panel, który wybrałem jako reprezentację mechaniczną, to Innolux N133HCG-G52. Karta katalogowa tego panelu była łatwo dostępna, a forma tego panelu jest dość popularna. Zamodelowałem reprezentatywny model 3D zgodnie z rysunkiem katalogowym panelu:

Zrzut ekranu pokazujący model 3D panelu wyświetlacza z nałożonym rysunkiem technicznym

Łączenie wszystkiego w całość

Teraz, gdy szkice są dostępne dla większości podzespołów, możemy złożyć wszystko razem i zobaczyć pierwszy szkic.

W tym celu używam Blendera 3D. Blender to darmowe i otwarte narzędzie służące do modelowania 3D, renderowania, animacji, edycji wideo i wielu innych. Zaawansowany silnik renderowania oparty na węzłach w Blenderze umożliwia łatwe renderowanie produktów lub wizualizacje koncepcyjne.

Eksportowanie mechanicznej koncepcji laptopa w formacie .OBJ pozwala na import tych danych CAD do Blendera. Wraz z plikiem obiektu tworzony jest plik biblioteki materiałów z rozszerzeniem .MTL. Plik biblioteki materiałów jest używany przez Blendera do przypisywania domyślnych materiałów do zaimportowanych obiektów siatki. Te domyślne materiały mogą być modyfikowane, aby reprezentować pożądany wygląd powiązanego obiektu.

Po przypisaniu odpowiednich materiałów pierwsza wizualizacja szkicu koncepcyjnego jest zakończona:

Pierwszy renderowany szkic koncepcji laptopa pokazujący klawiaturę i ekran

Pierwszy renderowany szkic koncepcji laptopa pokazujący tylną stronę pokrywy

To kończy ustawianie pierwszego mechanicznego szkicu projektu laptopa open source!

Wykorzystamy ten model CAD jako punkt wyjścia dla nadchodzących iteracji projektu, które wezmą pod uwagę wszystkie aspekty techniczne, które celowo pominięto w tej pierwszej fazie.

W tej pierwszej fazie wstępnego projektu udało nam się uzyskać kilka ważnych informacji:

• Przestrzeń pod klawiaturą jest bardzo ograniczona. W pierwszym modelu CAD jest tylko około 3 - 4mm użytecznej przestrzeni, z którą możemy pracować;

• Złącza umieszczone na boku laptopa nie mogą wystawać więcej niż 15mm do wnętrza laptopa, w przeciwnym razie dojdzie do kolizji z zespołem klawiatury. To nakłada pewne ograniczenia na typy złącz i montażu, które mogą być użyte;

• Głośniki mogą być zaimplementowane tylko po prawej i lewej stronie baterii z akustycznym wyjściem skierowanym na bok lub dół laptopa;

• Modele kolizji złącz zostały stworzone dla wszystkich interfejsów używanych w laptopie.

Z pierwszym wstępnym projektem za nami, możemy zagłębić się w bardziej techniczne aspekty całego projektu.

Bądźcie z nami na następnej fazie, gdzie przyjrzymy się bliżej faktycznej konstrukcji laptopa oraz kilku bardzo pomocnym narzędziom symulacyjnym, które możemy wykorzystać do oceny integralności mechanicznej projektu.