Giai đoạn Khái niệm – Thiết kế CAD ban đầu

Phần này của nhật ký phát triển dự án laptop mã nguồn mở sẽ hướng dẫn bạn qua giai đoạn khái niệm và động não ban đầu. Bước đầu tiên là thu thập ý tưởng và yêu cầu cho thiết bị cuối cùng và cô đọng chúng một cách tốt nhất có thể vào một bản phác thảo đơn giản. Ở giai đoạn này, không quan trọng phải chú ý quá nhiều đến chi tiết kỹ thuật - đó là việc xây dựng một nền tảng tức là tạo ra một khung có thể được chia nhỏ và tinh chỉnh trong các bước tiếp theo.

Hãy bắt đầu. (Bạn sẽ cần một cây bút và tờ giấy).

Phác thảo yêu cầu

Ghi lại các yêu cầu về chức năng và thẩm mỹ của hệ thống để việc hình dung ở bước tiếp theo dễ dàng hơn và cung cấp cơ sở cho một thông số kỹ thuật sản phẩm sơ bộ. Trong môi trường doanh nghiệp, các yêu cầu được thúc đẩy bởi nghiên cứu thị trường và phân tích nhu cầu.

Vì dự án này là dự án đầu tiên của loại hình này, tôi không thể dựa vào phản hồi của khách hàng hoặc hiểu biết sâu sắc về thị trường laptop. Các tiêu chí thiết kế cho laptop đề xuất chủ yếu dựa trên ý tưởng cá nhân, kinh nghiệm và nghiên cứu.

Các điểm sau đây là các khía cạnh kỹ thuật chính mà tôi muốn thấy phản ánh trong hệ thống cuối cùng:

• Kiểu dáng mỏng và nhẹ;

• Trọng lượng dưới 1.6kg;

• Độ dày tổng thể dưới 20mm 13”;

• Kiểu dáng;

• Không cần dùng đến bộ chuyển đổi/adapter USB-C trong các trường hợp sử dụng hàng ngày;

• Ít nhất ba cổng USB-A kích thước đầy đủ với ít nhất một cổng ở mỗi bên của Laptop;

• Cổng HDMI kích thước đầy đủ Jack tai nghe 3.5mm;

• Khe cắm thẻ SD kích thước đầy đủ Sạc qua USB-C với các cổng có khả năng sạc ở mỗi bên;

• Bàn phím cơ và mô-đun có thể dễ dàng thay thế bằng các bố cục khác nhau hoặc tùy chỉnh;

• Trackpad đa chạm Webcam và Microphone có thể bật/tắt bằng phần cứng;

• Chức năng WiFi và Bluetooth;

• Độ sáng màn hình ít nhất 350 nits;

• Góc mở nắp ít nhất 140°;

• Không có lỗ hút khí làm mát ở đáy thiết bị;

• Dễ dàng sửa chữa và nâng cấp các thành phần như pin, màn hình, bộ nhớ, lưu trữ, thẻ WiFi/Bluetooth và mainboard;

• CPU x86 mới;

• Hiệu suất tốt với Win10/Win11;

• Vỏ bằng nhôm toàn phần hoặc một phần cho vẻ ngoài cao cấp và cảm giác chắc chắn.

Một số thông số quan trọng đã bị thiếu trong danh sách trên. Những thông số này có độ ưu tiên thấp hơn và sẽ được giải quyết trong các giai đoạn ý tưởng và thiết kế tiếp theo. Mặc dù những thông tin trên nên phản ánh một hệ thống lý tưởng mà không quá chú trọng vào chi tiết kỹ thuật, nhưng vẫn có một số hạn chế cứng đặt ra cho dự án bởi bản chất mã nguồn mở của nó.

Nhiều bộ phận và tài liệu liên quan—đặc biệt là trong ngành điện tử tiêu dùng—chỉ có sẵn dưới các hợp đồng NDA và OEM nghiêm ngặt. Việc chỉ định những bộ phận này và các thông số liên kết trước là vô ích nếu không khám phá trước xem những lựa chọn nào có sẵn cho một dự án phần cứng mở. Rất nhiều công việc khám phá này sẽ diễn ra song song với dự án này để không gây ra quá nhiều trì hoãn.

Mô hình CAD đầu tiên

Tạo một biểu diễn hình ảnh sớm trong giai đoạn ý tưởng giúp thúc đẩy quá trình sáng tạo. Một mô hình CAD sơ bộ cũng giúp xác định những thách thức thiết kế lớn sẽ cần thời gian và sự chú ý trong các bước tiếp theo. Tôi sử dụng trình mô hình trực tiếp Spacelcaim Engineer để tạo các bản phác thảo sơ bộ và mô hình CAD sản xuất của mình.

Với danh sách yêu cầu trong tâm trí, tôi đã tải xuống một lựa chọn các mô hình CAD 3D của các kết nối phù hợp cho ứng dụng laptop. Những mô hình CAD này có sẵn trên trang web của nhà cung cấp bộ phận.

Đối với bản phác thảo đầu tiên, tôi đã tìm qua danh mục trực tuyến và thư viện mô hình 3D của các nhà sản xuất sau:

• Würth Elektronik;

• Molex;

• TE Connectivity;

• Amphenol CS;

• ACES Electronics;

• LOTES CO.,LTD;

• GCT.

Bố trí và khoảng cách giữa các kết nối

Việc đặt các kết nối và các lỗ cắt tương ứng trên cạnh của laptop có vẻ đủ dễ dàng, phải không?

Các giao diện cần thiết đã được chỉ định trong danh sách yêu cầu, bây giờ chỉ cần sắp xếp chúng cách đều và dễ tiếp cận—ít nhất đó là ý tưởng.

Bắt đầu với bước dễ dàng hơn để xác định giao diện nào nằm ở phía sau và các kết nối nào được sắp xếp gần phía trước của laptop hơn. Lý do tôi thực hiện nhiệm vụ này là để sắp xếp tất cả các giao diện “tĩnh” được kết nối một hoặc hai lần trong một chu kỳ sử dụng về phía sau của laptop. Điều này là để bạn không có bất kỳ dây cáp nào cản trở khi kết nối thứ gì đó như một ổ USB—điều này có thể dễ dàng xảy ra nhiều lần trong quá trình sử dụng. Việc vô tình rút phích cắm vì một ổ USB mắc kẹt vào một lõi ferrite lọc hoặc một tình huống tương tự có thể dễ dàng tránh được nếu tất cả các cáp “tĩnh” được sắp xếp về phía sau của thiết bị.

Đầu tiên trong danh sách các kết nối “tĩnh” là các cổng USB-C, chúng có khả năng cao được sử dụng để sạc hoặc kết nối với bộ gắn. Trong cả hai trường hợp, các giao diện này được kết nối một lần khi bạn bắt đầu sử dụng thiết bị.

Thứ hai trong danh sách đó là cổng HDMI. Không có bộ gắn, cổng HDMI có khả năng sẽ là một phần của cấu hình cố định không cần phải kết nối nhiều lần trong một lần sử dụng. Các cổng USB-A hoặc khe cắm thẻ SD có khả năng được sử dụng nhiều lần trong một phiên làm việc, vì vậy chúng được sắp xếp về phía trước của máy tính xách tay, nơi các thiết bị kết nối không gây trở ngại cho việc sạc hoặc cáp hiển thị.

Sắp xếp cổng kết nối trên phiên bản sau của mô hình CAD

Bây giờ là lúc để quyết định khoảng cách giữa các cổng kết nối nên được để xa nhau như thế nào. Lý do tại sao điều này quan trọng có thể được tóm tắt dễ dàng nhất qua một bức ảnh mô tả một tình huống quen thuộc với bất kỳ ai đang đọc điều này:

Tình huống này có thể rất khó chịu. Tất nhiên, những va chạm như vậy thường xuất hiện trong các cấu hình không thể giải quyết đơn giản chỉ bằng cách chuyển cáp sang các cổng khác. Trong ví dụ trên, hoặc là USB hoạt động hoặc là màn hình—nhưng không bao giờ cả hai.

Có thể có người cho rằng tình huống này khó xảy ra, đặc biệt là vì ví dụ được đưa ra sử dụng hai loại cổng kết nối cực lớn. Mặc dù điều đó có thể đúng, nhưng cũng có thể cho rằng chỉ cần một phút với bộ sưu tập cáp USB cá nhân của bạn và những cáp bạn có thể sử dụng tại công việc hàng ngày để gặp phải vấn đề như trên. Đây có thể là một tình huống không hiếm gặp.

Với sự đa dạng rộng lớn về khuôn đúc và vỏ bọc cổng kết nối có sẵn trên thị trường, có thể nghĩ rằng đây là một ý tưởng tốt để xác định kích thước tối đa của những đặc điểm cơ khí quan trọng này. Không chỉ cho USB Type A mà còn cho USB-C, HDMI, DisplayPort, và vân vân.

Khi xem xét thư viện tài liệu tại USB.org, chúng ta có thể tìm thấy một loại tài liệu được gọi là “Cable and Connector Specification”. Những tài liệu này có sẵn cho cả cáp USB Type-C và cáp USB Type-A. Một phần của các thông số kỹ thuật cơ khí là kích thước overmolding tối đa nên được sử dụng cho các kết nối tương ứng. Tại một giao diện USB Type-A, chiều rộng overmolding tối đa nên bằng hoặc nhỏ hơn 16mm.

Tuy nhiên, nhiều nhà sản xuất không tuân thủ khuyến nghị đó, khiến việc xác định khoảng cách kết nối một cách chính xác trở nên khó khăn hơn.

Vì việc tuân theo một tài liệu thông số kỹ thuật không phải là một lựa chọn, tôi đã chọn thu thập một bộ mẫu lớn hơn của các cáp USB vật lý và mô hình 3D của cáp USB. Sau đó, tôi đã đo lường thủ công các kích thước tối đa.

Có một cộng đồng lớn các kỹ sư và nhà thiết kế ngoài kia—ví dụ như trên 3DcontentCentral hoặc GrabCad—những người chia sẻ các mô hình 3D tuyệt vời của họ. Tôi đã quét những thư viện này cũng như các trang web của nhà sản xuất để tìm các mô hình 3D của tất cả các loại kết nối và cáp phù hợp với ứng dụng của mình. Sau đó, tôi đã hợp nhất tất cả các bộ dữ liệu này vào một tệp CAD duy nhất cùng với các phép đo thủ công. Kết quả là một hộp đựng tối đa cho mỗi kết nối ghép nối của các giao diện được sử dụng trong dự án laptop.

Với cách tiếp cận này, tôi khá tự tin rằng sẽ không gặp phải vấn đề va chạm giữa các kết nối lân cận.

Ảnh chụp mô hình hộp đựng được tạo ra từ các mô hình 3D và phép đo thủ công

Quay trở lại với mô hình 3D khái niệm của chính chiếc laptop. Tôi đã sắp xếp các kết nối theo cách mà tuân theo hệ thống được mô tả ở trên. Ảnh chụp màn hình sau đây cho thấy lần lặp đầu tiên của việc đặt kết nối. Lưu ý rằng khoảng cách giữa các kết nối này vẫn còn quá nhỏ. Điều này đã được cập nhật sau này trong thiết kế cơ khí.

Mô hình CAD đầu tiên của khái niệm laptop

Với việc đặt vị trí lý tưởng của các giao diện bên ngoài, tôi bắt đầu sắp xếp các thành phần chính bên trong để đánh giá xem có bao nhiêu không gian khả dụng. Trong quá trình đó, tôi đã cố gắng xác định những thành phần nào là quan trọng để xác định chiều cao của hệ thống cuối cùng. Một khía cạnh quan trọng khác mà tôi muốn tìm hiểu trong giai đoạn khái niệm là những lựa chọn nào có sẵn để tạo ra một giải pháp làm mát không hút không khí mát từ phía dưới của hệ thống.

Ở giai đoạn này, tôi vẫn chủ yếu dựa vào mô hình CAD của nhà sản xuất để giữ thời gian thiết kế ở mức tối thiểu. Các mô hình 3D được sử dụng không nhất thiết phản ánh phần cuối cùng mà hơn là đóng vai trò như một chỗ đứng hoặc hỗ trợ trực quan cho việc mô hình hóa khái niệm 3D.

Việc sắp xếp sơ bộ các thành phần bên trong của máy tính xách tay đã dẫn đến mô hình CAD sau:

Ảnh chụp mô hình CAD cho thấy sự sắp xếp sơ bộ của các thành phần bên trong

Trong bản phác thảo trên, một PCB màu xanh được hiển thị ở góc phải trước của thiết bị với bốn đầu nối SMA nhô ra từ cạnh bên của máy tính xách tay. Tôi muốn khám phá ý tưởng cung cấp một khe cắm trống có thể được sử dụng cho các dự án điện tử tùy chỉnh. Do độ phức tạp bổ sung và yêu cầu không gian tăng thêm, tôi đã phải loại bỏ cách tiếp cận này ở các bước tiếp theo. Tuy nhiên, có một giải pháp sẽ cho phép tùy chỉnh theo các cách khác nhau—chúng tôi sẽ nói thêm về điều này trong bản cập nhật tiếp theo!

Bàn phím

Bây giờ, tất cả những gì còn thiếu để hoàn thiện bản phác thảo của nửa dưới của máy tính xách tay là một bàn phím cơ. Bàn phím cơ mang lại một số lợi ích làm cho nó trở nên hấp dẫn để sử dụng trong dự án này:

• Cải thiện vẻ ngoài và cảm giác / trải nghiệm viết hơn bàn phím màng;

• Có nhiều biến thể của công tắc để lựa chọn;

• Dễ dàng tùy chỉnh và sửa chữa;

• Dễ dàng tạo mẫu.

Nhược điểm bao gồm:

• Đắt tiền;

• Yêu cầu thêm không gian do độ dày tăng thêm liên quan đến hành trình công tắc lớn hơn.

Cả Cherry MX và Kailh đều có trong dòng sản phẩm của mình loại công tắc phím SMD siêu mỏng phù hợp cho ứng dụng này. Chiều cao tổng thể của công tắc là 3.5mm khi không được kích hoạt. Nút phím thêm vào 0.6mm chiều cao nữa. Với độ dày của PCB bàn phím là 1.2mm, tổng cộng bộ phận bàn phím sử dụng 5.3mm trên trục Z. Hầu hết các laptop mỏng và nhẹ 13 inch trên thị trường có độ dày khoảng 15mm. Riêng bộ phận bàn phím đã chiếm một phần ba không gian có sẵn trên chiều Z trong trường hợp của chúng ta. Việc tích hợp các linh kiện điện tử cần thiết bên dưới bàn phím sẽ là một thách thức lớn về thiết kế.

Tiến lên với mô hình 3D đại diện cho công tắc phím, bản phác thảo đầu tiên của bàn phím đã được lên kế hoạch và tích hợp vào bản phác thảo hệ thống:

Cận cảnh từ trên xuống của mô hình CAD phác thảo

Hình ảnh trong suốt của vỏ laptop cho thấy các thành phần chính đã được tích hợp vào bản phác thảo cho đến nay. Bốn cell pin LiPo với 13,3Wh được đặt dưới trackpad. Bên cạnh hệ thống pin, một không gian được dành riêng cho khu vực mở rộng điện tử tùy chỉnh.

Không gian dưới bàn phím được chiếm dụng bởi mainboard và bộ tản nhiệt CPU.

Hình ảnh khung dây của mô hình CAD phác thảo

Màn hình

Để hoàn thiện bản phác thảo hệ thống, tất cả những gì còn thiếu là nắp laptop và bảng điều khiển hiển thị. Trong bản phác thảo đầu tiên, tôi đã chọn một bảng điều khiển với độ phân giải 1920x1080. Có nhiều bảng điều khiển với độ phân giải tương tự và hình dạng tương đồng có giá rẻ trên thị trường. Điều này làm cho việc tìm nguồn cung cấp bảng điều khiển thay thế hoặc thay đổi nhà sản xuất bảng điều khiển dễ dàng hơn trong trường hợp bảng điều khiển bị ngừng sản xuất. Tỷ lệ khung hình 16:9 không lý tưởng cho ứng dụng thiết bị di động, đó là lý do tại sao bảng điều khiển này sau đó đã được thay thế bằng màn hình có độ phân giải cao hơn 3:2 trong quá trình phát triển.

Bảng điều khiển tôi đã chọn làm đại diện cơ khí là Innolux N133HCG-G52. Dữ liệu kỹ thuật của bảng điều khiển này dễ tìm và hình dạng của bảng điều khiển này khá phổ biến. Tôi đã mô hình hóa một mô hình 3D đại diện theo bản vẽ dữ liệu kỹ thuật của bảng điều khiển:

Ảnh chụp màn hình hiển thị mô hình 3D của bảng điều khiển với lớp phủ của bản vẽ kỹ thuật

Tổng hợp tất cả lại với nhau

Bây giờ, khi mà bản phác thảo đã sẵn sàng cho hầu hết các bộ phận phụ, chúng ta có thể tổng hợp tất cả lại và hình dung bản nháp đầu tiên.

Với mục đích đó, tôi sử dụng Blender 3D. Blender là một công cụ miễn phí và mã nguồn mở được sử dụng cho mô hình 3D, rendering, hoạt hình, chỉnh sửa video, và nhiều hơn nữa. Động cơ rendering dựa trên node mạnh mẽ trong Blender cho phép dễ dàng rendering sản phẩm hoặc thiết lập hình dung khái niệm.

Xuất khái niệm cơ khí của máy tính xách tay dưới dạng .OBJ cho phép chúng ta nhập dữ liệu CAD này vào Blender. Một tệp thư viện vật liệu với phần mở rộng .MTL được tạo ra cùng với tệp Đối tượng khi xuất. Tệp thư viện vật liệu này được Blender sử dụng để gán vật liệu mặc định cho các đối tượng lưới đã nhập. Những vật liệu mặc định này có thể được chỉnh sửa để thể hiện vẻ ngoài mong muốn của đối tượng liên quan.

Sau khi gán vật liệu tương ứng, bản nháp khái niệm đầu tiên đã hoàn thành:

Bản nháp đầu tiên được render của khái niệm máy tính xách tay hiển thị bàn phím và màn hình

Bản nháp đầu tiên được render của khái niệm máy tính xách tay hiển thị mặt sau của nắp

Điều này kết thúc việc thiết lập bản nháp cơ khí đầu tiên của dự án máy tính xách tay mã nguồn mở!

Chúng tôi sẽ sử dụng mô hình CAD này làm điểm xuất phát cho các lần lặp thiết kế sắp tới, những lần này sẽ xem xét tất cả các khía cạnh kỹ thuật mà chúng tôi cố ý bỏ qua trong giai đoạn đầu tiên này.

Trong giai đoạn phác thảo đầu tiên này, chúng tôi đã có thể rút ra một số thông tin quan trọng:

• Không gian phía dưới bàn phím rất hạn chế. Trong mô hình CAD bản thảo đầu tiên chỉ có khoảng 3 - 4mm không gian sử dụng mà chúng tôi có thể làm việc;

• Các kết nối đặt ở cạnh bên của laptop không thể nhô ra ngoài hơn 15mm vào trong laptop, nếu không chúng sẽ va chạm với bộ phận lắp ráp bàn phím. Điều này đặt ra một số hạn chế về loại kết nối và cách lắp đặt có thể sử dụng;

• Loa chỉ có thể được lắp đặt ở bên phải và trái của bộ pin với đầu ra âm thanh hướng về phía bên hoặc dưới của laptop;

• Mô hình va chạm kết nối đã được tạo ra cho tất cả các giao diện sử dụng trên laptop.

Với bản phác thảo ban đầu đã hoàn thành, chúng tôi có thể đi sâu vào các khía cạnh kỹ thuật hơn của toàn bộ thiết kế.

Hãy chờ đợi giai đoạn tiếp theo, nơi chúng tôi sẽ xem xét kỹ lưỡng hơn về cấu trúc thực tế của laptop cũng như một số công cụ mô phỏng hữu ích mà chúng tôi có thể sử dụng để đánh giá tính toàn vẹn cơ khí của thiết kế.