Fase de Conceito – Projeto CAD Inicial

Esta parcela do registro de desenvolvimento do projeto de laptop de código aberto irá guiá-lo através da fase inicial de conceito e brainstorming. O primeiro passo é coletar as ideias e requisitos para o dispositivo final e condensá-los da melhor forma possível em um rascunho simplificado. Não é importante, nesta etapa, prestar muita atenção aos detalhes técnicos — trata-se de estabelecer uma fundação, ou seja, criar uma estrutura que possa ser subdividida e refinada em etapas futuras.

Vamos começar. (Você precisará de uma caneta e um pedaço de papel).

Definir os requisitos

Anote os requisitos funcionais e estéticos do sistema para facilitar a visualização na próxima etapa e fornecer uma base para uma especificação de produto inicial. Em um ambiente corporativo, os requisitos são impulsionados por pesquisa de mercado e análise de demanda.

Uma vez que este projeto é o primeiro do seu tipo, não posso contar com o feedback dos clientes ou um entendimento profundo do mercado de laptops. Os critérios de design para o laptop proposto são principalmente derivados de ideias pessoais, experiências e pesquisas.

Os seguintes pontos são aspectos técnicos chave que gostaria de ver refletidos no sistema final:

• Forma fina e leve;

• Peso inferior a 1,6kg;

• Espessura total inferior a 20mm para 13”;

• Forma;

• Não necessitar de dongles/adaptadores USB-C para uso cotidiano;

• Pelo menos três portas USB-A de tamanho completo, com pelo menos uma porta de cada lado do Laptop;

• Porta HDMI de tamanho completo, entrada para fone de ouvido de 3,5mm;

• Slot para cartão SD de tamanho completo, carregamento via USB-C com portas capazes de carregar de ambos os lados;

• Teclado mecânico e modular que pode ser facilmente trocado por diferentes ou personalizados layouts;

• Trackpad Multi-toque, Webcam e Microfone que podem ser habilitados/desabilitados por hardware;

• Funcionalidade WiFi e Bluetooth;

• Brilho da tela de pelo menos 350 nits;

• Ângulo de abertura da tampa de pelo menos 140°;

• Sem entrada de ar para resfriamento na parte inferior do dispositivo;

• Facilidade para reparar e atualizar componentes como bateria, tela, memória, armazenamento, cartão WiFi/Bluetooth e placa-mãe;

• CPU x86 mais recente;

• Bom desempenho com Win10/Win11;

• Caso de alumínio total ou parcial para uma aparência premium e boa rigidez.

Alguns parâmetros importantes estão faltando na lista acima. Esses parâmetros são de menor prioridade e serão abordados durante as próximas etapas de conceito e design. Embora o acima deva refletir um sistema ideal sem dar muita ênfase aos detalhes técnicos, ainda existem algumas limitações rígidas impostas ao projeto pela sua natureza de código aberto.

Muitas peças e a documentação associada — especialmente na indústria de eletrônicos de consumo — estão disponíveis apenas sob NDAs estritos e contratos OEM. Especificar essas peças e os parâmetros conectados antecipadamente é inútil sem antes explorar quais opções estão disponíveis para um projeto de hardware aberto. Muita dessa exploração ocorrerá em paralelo a este projeto para não causar muito atraso.

O primeiro modelo CAD

Criar uma representação visual no início da fase de conceito ajuda a avançar o processo criativo. Um modelo CAD preliminar também ajuda a identificar os principais desafios de design que exigirão tempo e atenção nas próximas etapas. Eu uso o modelador direto Spacelcaim Engineer para criar meus esboços iniciais e modelos CAD de produção.

Com a lista de requisitos em mente, baixei uma seleção de modelos CAD 3D dos conectores que seriam adequados para a aplicação em laptops. Esses modelos CAD estão disponíveis no site dos fornecedores de peças.

Para o primeiro esboço, pesquisei no catálogo online e na biblioteca de modelos 3D dos seguintes fabricantes:

• Würth Elektronik;

• Molex;

• TE Connectivity;

• Amphenol CS;

• ACES Electronics;

• LOTES CO.,LTD;

• GCT.

Posicionando e espaçando conectores

Posicionar os conectores e os recortes correspondentes na lateral do laptop parece fácil o suficiente, certo?

As interfaces necessárias foram especificadas na lista de requisitos, agora é apenas uma questão de organizá-las de forma uniformemente espaçada e facilmente acessível — pelo menos essa era a ideia.

Comece com a etapa mais fácil para determinar quais interfaces vão na parte de trás e quais conectores são organizados mais para a frente do laptop. A razão pela qual estou seguindo com essa tarefa é para organizar todas as interfaces “estáticas” que são conectadas uma ou duas vezes durante um único ciclo de uso na parte de trás do laptop. Isso é para você não ter nenhum cabo no caminho ao conectar algo como um pen drive — o que pode facilmente acontecer várias vezes durante o uso. Desconectar cabos acidentalmente porque um pen drive ficou preso em um filtro de ferrite ou um cenário semelhante pode ser facilmente evitado se todos os cabos “estáticos” forem organizados na parte de trás do dispositivo.

Primeiro na lista de conexões “estáticas” estão os conectores USB-C que provavelmente são usados para carregar ou para conectar a uma estação de acoplamento. Em ambos os cenários, essas interfaces são conectadas uma vez quando você começa a usar o dispositivo.

Segundo na lista é o conector HDMI. Sem uma estação de acoplamento, o conector HDMI provavelmente fará parte de uma configuração permanente que não precisa ser conectada várias vezes durante um único uso. As portas USB-A ou o slot para cartão SD provavelmente serão usados várias vezes durante uma única sessão, então eles são organizados para a frente do laptop onde os dispositivos conectados não interferem com os cabos de carregamento ou de vídeo.

Arranjo dos conectores em uma versão mais recente do modelo CAD

Agora é hora de decidir quão distantes um do outro os conectores devem ser espaçados. A razão pela qual isso é importante é mais facilmente resumida em uma imagem que mostra uma situação familiar para qualquer um que esteja lendo isto:

Esta situação pode ser muito irritante. Claro que essas colisões tipicamente aparecem em constelações que não podem ser resolvidas simplesmente trocando os cabos para outras portas. No exemplo acima, ou o pendrive funciona ou a tela — mas nunca ambos.

Pode-se argumentar que essa situação é improvável de aparecer, especialmente porque o exemplo mostrado usa dois extremos de conectores muito grandes. Embora isso possa ser verdade, também se pode argumentar que basta um minuto com sua coleção privada de cabos USB e os que você pode estar usando no seu trabalho diário para se deparar com um problema como o mostrado acima. Esta pode ser uma situação que não é tão rara afinal.

Com uma variedade tão ampla de moldagem de conectores e caixas disponíveis no mercado, pode-se pensar que é uma boa ideia especificar as dimensões máximas dessas características mecânicas críticas. Não apenas para USB Tipo A, mas também para USB-C, HDMI, DisplayPort, e assim por diante.

Ao olhar para a biblioteca de documentos em USB.org, podemos encontrar um tipo de documento chamado “Especificação de Cabo e Conector”. Esses documentos estão disponíveis tanto para cabos USB Tipo-C quanto para cabos USB Tipo-A. Parte das especificações mecânicas são as dimensões máximas de moldagem que devem ser usadas para os conectores correspondentes. Em uma interface USB Tipo-A, a largura máxima de moldagem deve ser igual ou inferior a 16mm.

No entanto, muitos fabricantes não aderem a essa recomendação, tornando um pouco mais difícil especificar um espaçamento de conector da maneira correta.

Como seguir um documento de especificação não era uma opção, optei por adquirir um conjunto maior de amostras de cabos USB físicos e modelos 3D de cabos USB. Em seguida, medi manualmente as dimensões máximas.

Existe uma grande comunidade de engenheiros e designers lá fora — por exemplo, em 3DcontentCentral ou GrabCad — que compartilham seus incríveis modelos 3D. Vasculhei essas bibliotecas, bem como sites de fabricantes, em busca de modelos 3D de todos os tipos de conectores e cabos que se adequassem à minha aplicação. Em seguida, fundi todos esses conjuntos de dados em um único arquivo CAD junto com as medições manuais. O resultado foi uma caixa delimitadora máxima para cada conector de acoplamento das interfaces usadas no projeto do laptop.

Com essa abordagem, estou bastante confiante de não enfrentar o problema de colisões entre conectores vizinhos.

Captura de tela do modelo de caixa delimitadora criado a partir de modelos 3D e medições manuais

Voltando ao modelo 3D conceitual do próprio laptop. Organizei os conectores de uma maneira que segue o sistema descrito acima. A captura de tela a seguir mostra a primeira iteração do posicionamento dos conectores. Note que o espaçamento entre esses conectores ainda é muito pequeno. Isso foi atualizado posteriormente no design mecânico.

Primeiro modelo CAD do conceito de laptop

Com o posicionamento ideal das interfaces externas no lugar, comecei a organizar os componentes internos chave para avaliar quanto espaço está disponível. Ao fazer isso, tentei identificar quais componentes são críticos para determinar a altura do sistema final. Outro aspecto importante que eu queria descobrir durante a fase de conceito era quais opções estão disponíveis para criar uma solução de resfriamento que não puxe ar frio da parte inferior do sistema.

Nesta fase, ainda estou confiando principalmente em modelos CAD dos fabricantes para manter o tempo de design ao mínimo. Os modelos 3D usados não refletem necessariamente a peça final, mas atuam como um substituto ou auxílio visual para a modelagem do conceito 3D.

Organizar de forma aproximada os componentes internos do laptop resultou no seguinte modelo CAD:

Captura de tela do modelo CAD mostrando a disposição aproximada dos componentes internos

No esboço acima, uma PCB verde é mostrada no canto direito frontal do dispositivo com quatro conectores SMA saindo do lado do laptop. Eu queria explorar a ideia de fornecer um slot vazio que pode ser usado para projetos eletrônicos personalizados. Devido à complexidade adicional e aos requisitos de espaço adicionados, infelizmente tive que omitir essa abordagem nas próximas etapas. No entanto, há uma solução que permitirá personalizações de diferentes maneiras—mais sobre isso na próxima atualização!

O teclado

Agora, tudo o que falta para finalizar o rascunho da metade inferior do laptop é um teclado mecânico. Um teclado mecânico vem com várias vantagens que o tornam atraente para usar neste projeto:

• Aparência e sensação / experiência de escrita melhoradas em comparação com um teclado de membrana;

• Várias variantes de interruptores disponíveis;

• Mais fácil de personalizar e reparar;

• Fácil de prototipar.

As desvantagens incluem:

• Caro;

• Requisitos de espaço adicionais devido à espessura adicionada associada à maior viagem do interruptor.

Tanto a Cherry MX quanto a Kailh possuem um interruptor de tecla SMD de perfil ultra baixo em sua linha de produtos que seria adequado para esta aplicação. A altura total do interruptor é de 3,5mm no estado não acionado. A própria tecla adiciona mais 0,6mm de altura. Com a espessura da PCB do teclado de 1,2mm, a montagem do teclado utiliza 5,3mm no Eixo Z. A maioria dos laptops finos e leves de 13” no mercado tem uma espessura de cerca de 15mm. A montagem do teclado sozinha ocuparia um terço do espaço disponível na Dimensão Z no nosso caso. Integrar a eletrônica necessária sob o teclado será um grande desafio de design.

Avançando com um modelo 3D representativo do interruptor de tecla, o primeiro rascunho do teclado foi elaborado e integrado ao rascunho do sistema:

Vista superior do rascunho do modelo CAD

A visão transparente da caixa do laptop mostra os principais componentes que fazem parte do rascunho até agora. Quatro células de bateria LiPo com 13,3Wh estão colocadas sob o trackpad. No lado direito, próximo ao sistema de bateria, algum espaço é alocado para a baía de expansão de eletrônicos personalizados.

O espaço sob o teclado é ocupado pela placa-mãe e pelo cooler da CPU.

Vista em arame do rascunho do modelo CAD

A tela

Para completar o rascunho do sistema, tudo o que falta é a tampa do laptop e o painel de exibição. No primeiro rascunho, optei por um painel com resolução de 1920x1080. Há muitos painéis disponíveis nessa resolução com fatores de forma semelhantes a um preço baixo. Isso facilita a obtenção de um painel de substituição ou a troca de fabricante do painel caso um painel seja descontinuado. Uma proporção de aspecto de 16:9 não é ideal para uma aplicação em dispositivo móvel, razão pela qual este painel foi substituído por uma tela de maior resolução 3:2 mais tarde no processo.

O painel que selecionei como representação mecânica foi um Innolux N133HCG-G52. A ficha técnica deste painel foi fácil de encontrar e o fator de forma deste painel é bastante popular. Modelei um modelo 3D representativo de acordo com o desenho da ficha técnica do painel:

Captura de tela mostrando o modelo 3D do painel de exibição com uma sobreposição do desenho mecânico

Juntando tudo

Agora que os esboços estão disponíveis para a maioria dos subcomponentes, podemos juntar tudo e visualizar o primeiro rascunho.

Para esse propósito, estou usando o Blender 3D. O Blender é uma ferramenta gratuita e de código aberto usada para modelagem 3D, renderização, animação, edição de vídeo e muito mais. O poderoso motor de renderização baseado em nós dentro do Blender permite configurações fáceis de renderizações de produtos ou visualização de conceitos.

Exportar o conceito mecânico do laptop em um formato .OBJ permite importar esses dados CAD para o Blender. Um arquivo de biblioteca de materiais com a extensão .MTL é criado junto com o arquivo Objeto na exportação. Este arquivo de biblioteca de materiais é usado pelo Blender para atribuir materiais padrão aos objetos de malha importados. Esses materiais padrão podem ser modificados para representar a aparência desejada do objeto associado.

Atribuindo os materiais correspondentes, a primeira visualização do rascunho do conceito é finalizada:

Primeiro rascunho renderizado do conceito de laptop mostrando o teclado e a tela

Primeiro rascunho renderizado do conceito de laptop mostrando a parte de trás da tampa

Isso conclui a configuração do primeiro rascunho mecânico do projeto de laptop de código aberto!

Usaremos este modelo CAD como ponto de partida para as próximas iterações de design que levarão em consideração todos os aspectos técnicos que intencionalmente deixamos de lado nesta primeira fase.

Nesta primeira fase do rascunho, conseguimos extrair algumas informações importantes:

• O espaço embaixo do teclado é muito limitado. No primeiro modelo CAD do rascunho, há apenas cerca de 3 - 4mm de espaço utilizável com o qual podemos trabalhar;

• Conectores colocados na lateral do laptop não podem protruir mais do que 15mm para dentro do laptop, caso contrário, eles colidirão com o conjunto do teclado. Isso impõe algumas limitações nos tipos de conectores e montagens que podem ser usados;

• Alto-falantes só podem ser implementados à direita e à esquerda da bateria com a saída acústica voltada para o lado ou fundo do laptop;

• Modelos de colisão de conectores foram criados para todas as interfaces usadas no laptop.

Com o rascunho inicial concluído, podemos mergulhar em aspectos mais técnicos de todo o design.

Fique atento para a próxima fase, onde daremos uma olhada mais de perto na construção real do laptop, bem como em algumas ferramentas de simulação muito úteis que podemos usar para avaliar a integridade mecânica do design.