Fase de Design – Mecânica da Montagem da Tampa Parte 1

Bem-vindo de volta ao projeto do laptop de código aberto! Nesta atualização, vamos mergulhar no design mecânico da tampa do laptop. Anteriormente, exploramos quais painéis de exibição estão disponíveis e qual seria o melhor ajuste para nossa aplicação. Nossa busca foi bem-sucedida assim como o teste do painel! Agora começa a parte difícil: encaixar tudo em um sistema que não é apenas robusto e funcional, mas também tem boa aparência.

Embora o título desta atualização seja mecânica de montagem da tampa, a linha entre o design elétrico e mecânico vai se tornar bastante difusa, como você está prestes a ver. No entanto, essa é a natureza de um projeto assim. Muitas decisões do lado mecânico têm uma influência direta no design elétrico e vice-versa. Claro, temos que olhar para ambos os lados ao mesmo tempo.

Revisão 1.0 da PCB da webcam

Material e método de fabricação

Uma das primeiras perguntas que precisamos responder é qual material usar e como fabricar a tampa. Isso terá um impacto direto nas formas que podemos modelar na tampa e nos custos associados. O último ponto é especialmente importante, pois não estamos olhando para um design de produto de volume muito alto no momento da escrita. Isso limita a escolha de técnicas de fabricação, pois processos que envolvem altos custos de ferramental atualmente não são uma opção. Processos de formação de chapas metálicas e qualquer variante de técnicas de fundição estão, portanto, fora de questão. Ambas as técnicas de fabricação requerem moldes caros ou matrizes de estampagem que não são custo-efetivas para quantidades menores.

A única opção viável restante que também oferece uma aparência moderna e robusta é usinar a tampa a partir de um bloco sólido de alumínio. Protótipos usinados em CNC são relativamente baratos e têm um curto prazo de entrega. Os custos de configuração associados a peças usinadas são bastante moderados devido a programas CAM modernos que podem automatizar a programação das máquinas até certo ponto.

Sabendo que a usinagem CNC será o processo de fabricação de escolha, podemos prosseguir com a modelagem 3D.

Modelagem 3D da tampa

Vamos começar integrando o painel de exibição primeiro. Para esse propósito, podemos usar o arquivo STEP 3D do painel e suportes de montagem fornecidos pela Framework:

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

Para começar, a forma básica da tampa do laptop é apenas um retângulo com cantos arredondados e um espaço para o painel de exibição:

Forma básica da tampa do laptop

Uma vez que toda a peça será usinada a partir de um único bloco de alumínio, já podemos projetar todas as características necessárias para montar o display. Graças aos suportes pré-instalados no display, só precisamos fornecer uma rosca interna M2 e um pino de alinhamento para montar o painel.

A altura dos espaçadores é escolhida de modo que o painel não fique completamente apoiado na bandeja de alumínio. Em vez disso, há um espaço de 1mm entre o painel e a bandeja da tampa. Esta é uma característica de design muito importante que garante que a parte sensível de trás do painel nunca faça contato direto com a bandeja de alumínio, pois ela flexiona quando a tampa é aberta.

Flexão da tampa do laptop

Por que a tampa do laptop flexionaria de qualquer forma, não é o objetivo do design criar uma tampa fina, mas robusta, que proteja o painel de exibição e não dobre durante o uso?

Embora esse possa ser o caso ideal, na realidade temos que encontrar um bom compromisso entre peso, espessura e rigidez. Poderíamos construir uma tampa muito robusta que não dobrasse de forma alguma, mas isso exigiria uma espessura de material alta, resultando em um aumento geral da espessura de todo o laptop e também adicionando muito peso. Queremos fazer a tampa o mais fina e leve possível, mantendo a deflexão sob controle.

Podemos aproximar a espessura ideal do material executando algumas simulações de elasticidade em nosso modelo CAD. Como sabemos a força aproximada que precisa ser aplicada para abrir o laptop, podemos usar isso como uma entrada de simulação para calcular a deflexão da tampa. Como ainda não sabemos como o vidro de proteção será montado, ele não fará parte da simulação.

Ilustração da deflexão da tampa ao abrir o laptop por apenas um canto

Integrando a placa da webcam

Com o painel de exibição no lugar e a espessura do material corretamente determinada, podemos começar a pensar em como queremos integrar a PCB da webcam. Como na maioria dos laptops, a webcam do nosso sistema fica centralizada acima da tela, na moldura da tela. Este é o posicionamento mais intuitivo para a webcam, mas deixa apenas uma pequena lacuna entre o painel e a tampa para trabalharmos.

Antes de iniciar o projeto e colocar a webcam e os blocos funcionais circundantes no modelo CAD, primeiro precisamos dar uma olhada mais de perto nos componentes encontrados na placa da webcam e no que precisamos considerar ao instalá-los. O seguinte diagrama mostra que temos muitos mais blocos funcionais além da webcam que ficarão na placa da webcam:

Ilustração dos blocos funcionais colocados na placa da webcam

É aqui que as coisas ficam um pouco complicadas no que diz respeito à integração da PCB da webcam. Precisamos descobrir o posicionamento de quatro principais blocos funcionais na PCB da webcam. Apenas um desses blocos pode ser adaptado às nossas necessidades do ponto de vista mecânico, e esse é os touchpads para ativar e desativar as funções críticas de privacidade. Os outros três blocos de função consistem principalmente em componentes individuais, como o sensor de luz ambiente. Vamos dar uma breve olhada nos componentes individuais para destacar os requisitos de design mecânico específicos da peça.

Sensor de luz ambiente

O sensor de luz ambiente da Vishay Semiconductors é um VEML3235. Ele vem em uma pequena embalagem plástica de 2,0mm x 2,0mm x 0,87mm com uma parte superior transparente: https://www.vishay.com/en/product/80131/.

Imagem em close do sensor de luz ambiente VEML3235

A parte de detecção óptica do chip fica quase centralizada no pacote. Para que o sensor de luz funcione corretamente em níveis baixos de luz ambiente, é necessário colocá-lo o mais próximo possível de uma janela de visualização no vidro de cobertura. A nota de aplicação para o VEML3235 nos mostra como calcular o tamanho da janela dependendo da distância da peça até a janela de visualização. O ponto mais importante para nós é que precisamos colocar o sensor o mais próximo possível da parte inferior do vidro de cobertura. Quando começarmos a projetar a impressão do vidro de cobertura, precisamos voltar à nota de aplicação e planejar o tamanho correto da janela de visualização.

Captura de tela da nota de aplicação de integração do VEML3235

Microfones MEMS duplos

O microfone usado em nosso sistema é um Knowles SPK0641HT4H-1. Dois microfones serão usados, um à esquerda e outro à direita da câmera, para gravar som estéreo. A situação de montagem desses dois microfones é semelhante à do sensor de luz ambiente. Queremos colocar os portais dos microfones o mais próximo possível do respectivo orifício no vidro de cobertura. Também gostaríamos de colocar uma junta de espuma ao redor do microfone para criar um “guia” entre o portal no vidro de cobertura e o microfone, mas isso será parte da próxima revisão da placa do microfone.

Microfone MEMS Knowles SPK0641HT4H-1

Sensor de câmera da webcam

Por último, mas definitivamente não menos importante, temos o sensor de imagem de webcam OmniVision OV2740. O próprio sensor de imagem tem apenas cerca de 0,8mm de espessura total. Muito mais interessante para nós agora é a altura total do sensor mais o conjunto de micro lentes que ficará em cima do sensor. Existem alguns tipos de lentes disponíveis, mas a maioria delas tem cerca de 4mm de altura total. Isso significa que o sensor de imagem deve ser localizado a pelo menos 4mm, mais alguma margem, de distância da parte inferior do vidro de cobertura.

Sensor de imagem OmniVision OV2740

Placa de circuito da webcam

Agora enfrentamos o desafio de acomodar vários componentes com diferentes requisitos de altura em uma única PCB sob o vidro de cobertura. Existem várias maneiras de realizar isso mecanicamente e eletricamente. Exploraremos pelo menos duas abordagens com duas revisões da placa de circuito da câmera. Uma maneira de fazer isso é usar uma PCB flexível com vários tipos e espessuras de reforço.

Espessuras de reforço múltiplo criam uma placa com vários níveis de altura

Vamos examinar mais de perto a própria PCB na parte de design elétrico da tampa. Por agora, vamos focar em como a PCB da webcam é montada. A seção do meio da placa usa um reforço de aço inoxidável de 0,2 mm. Esta seção do meio contém o sensor de imagem e um conector de placa para placa para conectar a webcam à placa-mãe. Devido à baixa espessura do reforço, podemos atender ao requisito de altura de 4 mm da lente da câmera, colocando esta seção em um pequeno bolso usinado na tampa do laptop.

Na imagem abaixo, você pode ver dois pequenos pinos de alinhamento usinados no bolso da câmera. Estes se encaixarão nos dois pequenos furos próximos às bordas esquerda e direita do reforço de aço inoxidável. Esses pinos garantirão que a placa e, especialmente, a lente da câmera estejam alinhadas à janela de visualização no vidro de cobertura.

PCB da webcam com furos de alinhamento

A imagem acima já pode indicar como toda a placa é montada no sistema. No entanto, ainda precisamos garantir que a seção do meio da PCB fique justa no bolso usinado e não se desloque ou até salte sobre os pinos de alinhamento quando submetida a vibrações intensas ou choques.

Isso e muitas outras questões serão respondidas na próxima atualização! Ainda temos que enfrentar alguns desafios com o design mecânico da tampa antes de podermos avançar para o design elétrico. Espero que você continue acompanhando as próximas atualizações também!