FoldTronics: Tworzenie obiektów 3D ze zintegrowaną elektroniką za pomocą składanych struktur HoneyComb: 11 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:31

W tym samouczku przedstawiamy FoldTronics, technikę wytwarzania opartą na wycinaniu 2D, aby zintegrować elektronikę z złożonymi obiektami 3D. Kluczowym pomysłem jest cięcie i perforowanie arkusza 2D za pomocą plotera tnącego, aby można go było złożyć w strukturę plastra miodu 3D; przed złożeniem użytkownicy umieszczają elementy elektroniczne i obwody na arkuszu.

Proces produkcji zajmuje tylko kilka minut, umożliwiając użytkownikom szybkie prototypowanie funkcjonalnych urządzeń interaktywnych. Powstałe obiekty są lekkie i sztywne, co pozwala na zastosowania wrażliwe na wagę i siłę. Ze względu na charakter plastrów miodu utworzone obiekty można składać płasko wzdłuż jednej osi, a tym samym można je sprawnie transportować w tej kompaktowej formie.

Oprócz maszyny do cięcia papieru potrzebne będą następujące materiały:

• Przezroczysty arkusz z tworzywa sztucznego / folia przezroczysta PET
• Miedziany arkusz/folia samoprzylepna
• Dwustronny arkusz samoprzylepny
• Dwustronna taśma samoprzylepna przewodząca
• Zwykła duża taśma lub winyl samoprzylepny

Krok 1: Pobierz oprogramowanie FoldTronics

Narzędzie do projektowania dla FoldTronics jest zaimplementowane w edytorze 3D Rhino3D jako rozszerzenie Grasshopper. Grasshopper bezpośrednio eksportuje warstwy dla arkusza o strukturze plastra miodu, taśmy izolacyjnej i zespołu góra/dolina. Ponadto, aby wygenerować okablowanie, wdrożyliśmy wtyczkę ULP do oprogramowania do projektowania elektronicznego EAGLE, która eksportuje warstwę okablowania – dzięki czemu stos warstw jest kompletny.

Oprogramowanie do naszego narzędzia do projektowania można znaleźć na GitHub:

Będziesz potrzebować:

• Najnowszy WIP Rhino5
• Konik polny
• ORZEŁ
• Ilustrator
• Studio sylwetkowe

Krok 2: Projektowanie urządzenia za pomocą oprogramowania

Aby stworzyć obwód LED, zaczynamy od stworzenia modelu 3D w edytorze 3D Rhino3D, dla którego zaimplementowaliśmy naszą wtyczkę FoldTronics. Po stworzeniu podstawowego kształtu modelu 3D przekształcamy go w strukturę plastra miodu, naciskając przycisk „konwertuj”. Gdy tylko algorytm podzieli model na komórki plastra miodu, wynik zostanie wyświetlony w widoku 3D.

Możemy teraz zmieniać rozdzielczość plastra miodu za pomocą dostarczonego suwaka, aby znaleźć najlepszy kompromis między wyższą rozdzielczością a wystarczającą ilością miejsca w komórkach, aby pomieścić diodę LED, baterię i złącze obwodu międzykomórkowego.

Suwak rozdzielczości zmienia jednocześnie zarówno liczbę kolumn, jak i liczbę komórek, ponieważ zmiana rozdzielczości osobno dla kolumn i wierszy spowodowałaby, że ostateczny kształt różni się od kształtu oryginalnego.

Aby dodać diodę LED, baterię i złącze międzyogniwowe, wybieramy je z listy komponentów z menu i dodajemy klikając odpowiedni przycisk. To automatycznie tworzy model 3D pudełka reprezentujący rozmiar wybranego komponentu elektronicznego. Możemy teraz przeciągnąć diodę LED i inne elementy elektroniczne do lokalizacji w objętości 3D. W przypadku, gdy przypadkowo umieścimy komponent na fałdzie lub nieważnej komórce, zostanie on automatycznie przeniesiony do następnej prawidłowej komórki.

1. Importuj model 3D w Rhinoceros.
2. Uruchom „Passhopper” i otwórz „HoneycombConvert_8.gh”.
3. Wybierz model w Rhinoceros i kliknij prawym przyciskiem myszy komponent brep i "Ustaw jeden brep" na Grasshopper.
4. Otwórz „Panel zdalnego sterowania” widoku Grasshopper.
5. Zmień szerokość komórki za pomocą suwaka.
6. Przekształć model w strukturę plastra miodu i dane cięcia 2D, klikając „Konwertuj plaster miodu”.
7. Przesuń komponent (kolor niebieski) i zmień rozmiar, „wybierz komponenty z tej listy”. (wciąż budowa)
8. Tworzenie danych komponentów poprzez kliknięcie „Utwórz komponenty”.
9. Tworzenie danych 2D poprzez kliknięcie „Utwórz dane cięcia”.
10. Eksportuj linie cięcia z „wybranymi obiektami” jako plik AI.

Krok 3: Eksportuj warstwy do produkcji

Po zakończeniu umieszczania elementów elektronicznych klikamy przycisk „eksportuj”, aby wygenerować warstwy do produkcji. Podczas eksportu wtyczka edytora 3D tworzy wszystkie warstwy stosu produkcyjnego jako pliki rysunków 2D (format pliku. DXF), z wyjątkiem warstwy zawierającej okablowanie, która zostanie utworzona osobno w późniejszym etapie procesu.

Aby wygenerować brakującą warstwę okablowania, użytkownicy otwierają plik 2D struktury plastra miodu w oprogramowaniu do projektowania elektronicznego EAGLE i uruchamiają naszą niestandardową wtyczkę EAGLE ULP. Wtyczka generuje płytkę drukowaną o rozmiarze wzoru plastra miodu, a następnie przekształca każdy kolorowy kwadrat z powrotem w element elektroniczny (tj. Dioda LED, bateria i złącze obwodu międzykomórkowego). Mając elementy elektroniczne już na arkuszu, użytkownicy mogą teraz zbudować schemat. Wreszcie, użytkownicy mogą użyć funkcji automatycznego okablowania EAGLE, aby utworzyć pełny obwód na arkuszu, kończąc ostatnią brakującą warstwę do produkcji.

** Obecnie trwa budowa wtyczki ULP. Musisz ręcznie umieścić komponenty.

Krok 4: Produkcja, montaż i składanie

Teraz możemy zacząć dodawać razem wygenerowane warstwy. Aby wykonać warstwy, wystarczy wyciąć rysunek 2D każdej warstwy (format pliku. DXF) we właściwej kolejności za pomocą plotera tnącego.

Krok 5: Cięcie i perforowanie arkusza bazowego

Najpierw wkładamy arkusz bazowy (tworzywo PET) do noża i wycinamy go i perforujemy, aby utworzyć linie gór, dolin i nacięć, a także znaczniki dla elementów elektronicznych. Proces FoldTronics perforuje arkusz tylko od góry i rozróżnia linie gór i dolin za pomocą oddzielnych oznaczeń wizualnych (linie kropkowane dla gór i linie przerywane dla dolin), ponieważ wymagają one późniejszego złożenia w przeciwnych kierunkach. Alternatywnie proces FoldTronics może również perforować arkusz z obu stron, tj. perforować góry od góry i doliny od dołu, jednak wymaga to ponownego włożenia arkusza do plotera tnącego.

Podczas gdy wszystkie szczeliny są przecinane, kontur plastra miodu jest tylko perforowany, aby utrzymać go w połączeniu z głównym arkuszem, co pozwala nam na dalszą obróbkę arkusza za pomocą plotera tnącego w kolejnych krokach. Wreszcie, obszary, na których będą lutowane elementy elektroniczne, są również perforowane, aby ułatwić ustalenie, który element trafia do którego miejsca.

Do obiektów użytych w tym artykule używamy arkuszy plastiku PET o grubości 0,1mm i wycinamy je ploterem tnącym (model: Silhouette Portrait, ustawienia cięcia: ostrze 0,2mm, prędkość 2cm/s, siła 10, ustawienia perforacji: ostrze 0,2mm, prędkość 2cm/s, siła 6).

Krok 6: Umieszczenie okablowania za pomocą taśmy miedzianej

Następnie nakładamy warstwę jednostronnej taśmy miedzianej (grubość: 0,07mm) na cały arkusz. Wkładamy arkusz z powrotem do plotera tnącego miedzianą stroną do góry, a następnie wykonujemy plik, aby wyciąć kształt drutów, który jest skonfigurowany tak, aby nie ciąć w arkuszu bazowym (ustawienia cięcia: ostrze 0,2mm, prędkość 2cm /s, siła 13). Następnie odklejamy taśmę miedzianą, która nie jest częścią okablowania.

Krok 7: Arkusz izolacyjny

Aby zapobiec zwarciom w wyniku stykania się przewodów po złożeniu arkusza bazowego, nakładamy następnie warstwę izolacyjną. W tym celu nakładamy warstwę zwykłej nieprzewodzącej taśmy na cały arkusz (grubość: 0,08 mm). Wkładamy arkusz z powrotem do plotera tnącego, który usuwa taśmę izolacyjną tylko w tych obszarach, które mają końcówki przewodów, które będą połączone z komponentami elektronicznymi lub które wykorzystują nasze nowatorskie złącze obwodu międzykomórkowego. Stosujemy ustawienia cięcia: ostrze 0,1mm, prędkość 2cm/s, siła 4.

Krok 8: Klejenie gór/dolin do trzymania po złożeniu

W kolejnym kroku nakładamy warstwę zwykłej taśmy dwustronnej na arkusz zarówno na dole, jak i na górze. Taśma dwustronna służy do łączenia dolin i gór, które po złożeniu łączą ze sobą strukturę plastra miodu (góry są sklejane od góry, a doliny od dołu). Po włożeniu arkusza do plotera tnącego, taśma dwustronna jest odcinana we wszystkich miejscach, które nie powinny być sklejane (ustawienia cięcia: ostrze 0,2mm, prędkość 2cm/s, siła 6). Dodatkowo, w przypadku oklejonych taśmą dolin/gór, które posiadają również złącze obwodu międzykomórkowego, ploter tnący wycina obszary potrzebne do połączeń elektronicznych. Po przecięciu obu stron odklejamy pozostałą taśmę dwustronną.

Krok 9: Lutowanie

W ostatnim kroku przed lutowaniem odcinamy wzór plastra miodu, aby odłączyć go od arkusza. Następnie lutujemy elementy elektroniczne (LED, akumulator) do przewodów za pomocą lutownicy. Jeśli elementy są małe i trudne do lutowania, możemy również użyć pasty lutowniczej jako alternatywy. Ponieważ lutowanie złącza obwodu międzykomórkowego jest trudne, do wykonania połączenia używamy dwustronnej taśmy przewodzącej.

Krok 10: Składanie

Teraz składamy razem plaster miodu.

Krok 11: Rozświetl to

Twój obwód jest gotowy!