Faza projektowania – Mechanika montażu pokrywy Część 1

Witaj ponownie w projekcie laptopa open-source! W tej aktualizacji zagłębimy się w projekt mechaniczny pokrywy laptopa. Wcześniej zbadaliśmy, które panele wyświetlacza są dostępne i które najlepiej pasowałyby do naszej aplikacji. Nasze poszukiwania zakończyły się sukcesem, podobnie jak testowanie panelu! Teraz zaczyna się trudna część: umieszczenie wszystkiego w systemie, który jest nie tylko solidny i funkcjonalny, ale także dobrze wygląda.

Chociaż tytuł tej aktualizacji to mechanika montażu pokrywy, granica między projektowaniem elektrycznym a mechanicznym stanie się dość zamazana, jak zaraz zobaczysz. Jednak taka jest natura tego projektu. Wiele decyzji związanych ze stroną mechaniczną ma bezpośredni wpływ na projekt elektryczny i odwrotnie. Oczywiście musimy patrzeć na obie strony jednocześnie.

Rewizja 1.0 PCB kamery internetowej

Materiał i metoda produkcji

Jednym z pierwszych pytań, na które musimy odpowiedzieć, jest to, jaki materiał użyć i jak wyprodukować pokrywę. Będzie to miało bezpośredni wpływ na kształty, które możemy modelować na pokrywie, oraz na związane z tym koszty. Ostatni punkt jest szczególnie ważny, ponieważ w momencie pisania nie mówimy o projekcie produktu o bardzo wysokiej objętości. Ogranicza to wybór technik produkcyjnych, ponieważ procesy wiążące się z wysokimi kosztami narzędziowymi obecnie nie wchodzą w grę. Procesy formowania blachy i wszelkie warianty technik odlewniczych są zatem wykluczone. Obie techniki produkcyjne wymagają albo drogich form, albo matryc tłoczących, które nie są opłacalne przy mniejszych ilościach.

Jedyną realną opcją, która oferuje również nowoczesny i solidny wygląd, jest wykonanie pokrywy z pełnego bloku aluminium. Prototypy wykonane metodą CNC są stosunkowo niedrogie i mają krótki czas realizacji. Związane z nimi koszty przygotowania do produkcji części są dość umiarkowane dzięki nowoczesnym programom CAM, które mogą w pewnym stopniu automatyzować programowanie maszyn.

Wiedząc, że obróbka CNC będzie wybranym procesem produkcyjnym, możemy przejść do modelowania 3D.

Modelowanie 3D pokrywy

Zaczniemy od zintegrowania panelu wyświetlacza. W tym celu możemy użyć pliku 3D STEP panelu i uchwytów montażowych dostarczonych przez Framework:

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

Na początek, podstawowy kształt pokrywy to po prostu prostokąt z zaokrąglonymi rogami i miejscem na panel wyświetlacza:

Podstawowy kształt pokrywy laptopa

Jako że cała część będzie wykonana z jednego bloku aluminium, możemy już zaprojektować wszystkie niezbędne elementy do montażu wyświetlacza. Dzięki zainstalowanym wcześniej uchwytom na wyświetlaczu, potrzebujemy tylko zapewnić wewnętrzny gwint M2 i kołek centrujący do montażu panelu.

Wysokość dystansów jest dobrana tak, aby panel nie leżał płasko na aluminiowej tacy. Zamiast tego jest 1mm szczelina między panelem a tacą pokrywy. Jest to bardzo ważna cecha konstrukcyjna, która zapewnia, że wrażliwe tylne części panelu nigdy nie mają bezpośredniego kontaktu z aluminiową tacą, gdy pokrywa się zgina podczas otwierania.

Zginanie pokrywy laptopa

Dlaczego w ogóle pokrywa laptopa miałaby się zginać, czy nie celem projektowym jest stworzenie cienkiej, ale wytrzymałej pokrywy, która chroni panel wyświetlacza i nie ugina się podczas użytkowania?

Chociaż może to być idealny przypadek, w rzeczywistości musimy znaleźć dobry kompromis między wagą, grubością a sztywnością. Moglibyśmy skonstruować bardzo wytrzymałą pokrywę, która wcale się nie zgina, ale wymagałoby to dużej grubości materiału, co skutkowałoby ogólnym zwiększeniem grubości całego laptopa, a także dodałoby dużo wagi. Chcemy, aby pokrywa była jak najcieńsza i najlżejsza, jednocześnie kontrolując ugięcie.

Możemy przybliżyć idealną grubość materiału, przeprowadzając symulacje elastyczności na naszym modelu CAD. Ponieważ znamy przybliżoną siłę, która musi być zastosowana do otwarcia laptopa, możemy użyć jej jako danych wejściowych do symulacji, aby obliczyć ugięcie pokrywy. Ponieważ jeszcze nie wiemy, jak zostanie zamontowane szkło ochronne, nie będzie ono częścią symulacji.

Ilustracja ugięcia pokrywy podczas otwierania laptopa tylko za jeden róg

Integracja płyty kamery internetowej

Po umieszczeniu panelu wyświetlacza i ustaleniu odpowiedniej grubości materiału możemy zacząć myśleć o tym, jak chcemy zintegrować płytę PCB kamery internetowej. Podobnie jak w większości laptopów, kamera w naszym systemie znajduje się na środku nad ekranem, w ramce ekranu. Jest to najbardziej intuicyjne umiejscowienie kamery, ale pozostawia tylko małą szczelinę między panelem a pokrywą, z którą musimy pracować.

Zanim rozpoczniemy projektowanie i umieszczenie kamery oraz otaczających ją bloków funkcjonalnych w modelu CAD, musimy najpierw dokładniej przyjrzeć się, jakie komponenty znajdują się na płycie kamery i co musimy wziąć pod uwagę podczas ich instalacji. Poniższy diagram pokazuje, że oprócz kamery na płycie kamery znajduje się wiele innych bloków funkcjonalnych:

Ilustracja bloków funkcjonalnych umieszczonych na płycie kamery internetowej

Tutaj sprawa staje się nieco bardziej skomplikowana, jeśli chodzi o integrację płyty PCB kamery. Musimy ustalić rozmieszczenie czterech głównych bloków funkcjonalnych na płycie PCB kamery. Tylko jeden z tych bloków może być dostosowany do naszych potrzeb z mechanicznego punktu widzenia, a jest to panele dotykowe do aktywacji i dezaktywacji funkcji związanych z prywatnością. Pozostałe trzy bloki funkcjonalne składają się głównie z pojedynczych komponentów, takich jak czujnik światła otoczenia. Przyjrzyjmy się krótko poszczególnym komponentom, aby podkreślić wymagania projektowe specyficzne dla danej części.

Czujnik światła otoczenia

Czujnik światła otoczenia od Vishay Semiconductors to VEML3235. Jest dostępny w małej, plastikowej obudowie o wymiarach 2,0mm x 2,0mm x 0,87mm z przezroczystym wierzchem: https://www.vishay.com/en/product/80131/.

Zbliżenie na czujnik światła otoczenia VEML3235

Część czujnika optycznego układu scalonego znajduje się prawie centralnie w obudowie. Aby czujnik światła działał poprawnie przy niskim poziomie światła otoczenia, konieczne jest umieszczenie go jak najbliżej okienka widzenia w szkle osłonowym. Nota aplikacyjna dla VEML3235 pokazuje nam, jak obliczyć rozmiar okienka w zależności od odległości części od okienka widzenia. Najważniejszą informacją dla nas jest to, że musimy umieścić czujnik jak najbliżej spodu szkła osłonowego. Gdy zaczniemy projektować nadruk na szkle osłonowym, musimy wrócić do noty aplikacyjnej i zaplanować odpowiedni rozmiar okienka widzenia.

Zrzut ekranu z noty aplikacyjnej integracji VEML3235

Podwójne mikrofony MEMS

Mikrofon używany w naszym systemie to Knowles SPK0641HT4H-1. Dwa mikrofony zostaną użyte po lewej i prawej stronie kamery do nagrywania dźwięku stereo. Sytuacja montażowa tych dwóch mikrofonów jest podobna do czujnika światła otoczenia. Chcemy umieścić porty mikrofonów jak najbliżej odpowiadającego im otworu w szkle osłonowym. Chcielibyśmy również umieścić wokół mikrofonu uszczelkę z pianki, aby stworzyć „przewodnik” między portem w szkle osłonowym a mikrofonem, ale będzie to część następnej rewizji płytki mikrofonowej.

Mikrofon MEMS Knowles SPK0641HT4H-1

Czujnik kamery internetowej

Na koniec, ale zdecydowanie nie mniej ważny, mamy czujnik obrazu kamery internetowej OmniVision OV2740. Sam czujnik obrazu ma grubość zaledwie około 0,8 mm. Dla nas teraz dużo bardziej interesująca jest całkowita wysokość czujnika wraz z montowanym na nim zespołem mikroobiektywów. Dostępnych jest kilka typów obiektywów, ale większość z nich ma łączną wysokość około 4 mm. Oznacza to, że czujnik obrazu musi być umieszczony co najmniej 4 mm plus pewien margines od spodu szkła osłonowego.

Czujnik obrazu OmniVision OV2740

Płytka obwodu kamery internetowej

Stajemy teraz przed wyzwaniem umieszczenia wielu komponentów o różnych wymaganiach wysokościowych na pojedynczej płytce PCB pod szkłem ochronnym. Istnieje kilka sposobów, aby osiągnąć to mechanicznie i elektrycznie. Przyjrzymy się przynajmniej dwóm podejściom z dwoma rewizjami płytki PCB kamery. Jednym ze sposobów jest użycie elastycznej PCB z wieloma rodzajami i grubościami usztywniaczy.

Różne grubości usztywniaczy tworzą płytę o wielu poziomach wysokości

Przyjrzymy się bliżej samej płytce PCB w części elektrycznej pokrywy. Na razie skupmy się na tym, jak montowana jest płyta PCB kamery internetowej. Środkowa sekcja płytki używa 0,2 mm usztywniacza ze stali nierdzewnej. Ta środkowa sekcja zawiera czujnik obrazu i złącze płytki do płytki do połączenia kamery internetowej z płytą główną. Dzięki niskiej grubości usztywniacza możemy spełnić wymaganie wysokości 4 mm obiektywu kamery, umieszczając tę sekcję w małej kieszeni wyfrezowanej w pokrywie laptopa.

Na poniższym obrazie można zobaczyć dwa małe kołki montażowe wyfrezowane w kieszeni kamery. Pasują one do dwóch małych otworów blisko lewej i prawej krawędzi usztywniacza ze stali nierdzewnej. Te kołki zapewnią, że płyta i szczególnie obiektyw kamery będą wyrównane do okna widzenia w szkle ochronnym.

Płytka PCB kamery internetowej z otworami montażowymi

Obraz powyżej może już wskazywać, jak cała płyta jest montowana w systemie. Jednak nadal musimy upewnić się, że środkowa część PCB idealnie pasuje do wyfrezowanego miejsca i nie przesuwa się, ani tym bardziej nie wyskakuje z pinów wyrównujących pod wpływem silnych wibracji czy uderzeń.

Na te i wiele innych pytań odpowiemy w następnej aktualizacji! Musimy jeszcze rozwiązać kilka wyzwań związanych z mechanicznym projektem pokrywy, zanim będziemy mogli przejść do projektowania elektrycznego. Mam nadzieję, że będziecie śledzić kolejne aktualizacje!