FoldTronics: Tạo vật thể 3D với thiết bị điện tử tích hợp sử dụng cấu trúc HoneyComb có thể gập lại: 11 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:34

Trong hướng dẫn này, chúng tôi trình bày FoldTronics, một kỹ thuật chế tạo dựa trên cắt 2D để tích hợp điện tử vào các vật thể gấp 3D. Ý tưởng chính là cắt và đục một tờ giấy 2D bằng máy cắt decal để làm cho nó có thể gập lại thành cấu trúc tổ ong 3D; Trước khi gấp, người dùng đặt các thành phần điện tử và mạch điện lên tấm.

Quá trình chế tạo chỉ mất vài phút cho phép người dùng tạo mẫu nhanh chóng các thiết bị tương tác chức năng. Các vật thể tạo ra có trọng lượng nhẹ và cứng, do đó cho phép các ứng dụng nhạy cảm với trọng lượng và nhạy cảm với lực. Do bản chất của tổ ong, các vật thể được tạo ra có thể được gấp phẳng dọc theo một trục và do đó có thể được vận chuyển hiệu quả ở dạng nhỏ gọn này.

Ngoài một máy cắt giấy, bạn sẽ cần những vật liệu sau:

• Tấm nhựa PET trong suốt / phim trong suốt
• Tấm / lá kết dính đồng
• Tấm dính hai mặt
• Băng dính hai mặt dẫn điện
• Băng keo lớn thông thường hoặc vinyl kết dính

Bước 1: Tải xuống phần mềm FoldTronics

Công cụ thiết kế cho FoldTronics được triển khai trong trình chỉnh sửa 3D Rhino3D dưới dạng phần mở rộng Grasshopper. Grasshopper xuất trực tiếp các lớp cho tấm tổ ong, băng cách điện và lắp ráp núi / thung lũng. Ngoài ra, để tạo hệ thống dây, chúng tôi đã triển khai một plugin ULP cho phần mềm thiết kế điện tử EAGLE, phần mềm này xuất lớp dây - làm cho chồng các lớp hoàn chỉnh.

Phần mềm cho công cụ thiết kế của chúng tôi có thể được tìm thấy trên GitHub:

Bạn sẽ cần:

• WIP Rhino5 mới nhất
• con châu chấu
• CHIM ƯNG
• Người vẽ tranh minh họa
• Silhouette Studio

Bước 2: Thiết kế thiết bị bằng phần mềm

Để tạo mạch LED, chúng tôi bắt đầu bằng cách tạo mô hình 3D trong trình chỉnh sửa 3D Rhino3D mà chúng tôi đã triển khai plugin FoldTronics của mình. Sau khi tạo hình dạng cơ bản của mô hình 3D, chúng tôi chuyển đổi nó thành cấu trúc tổ ong bằng cách nhấn nút "chuyển đổi". Ngay sau khi thuật toán chia mô hình thành các ô tổ ong, kết quả được hiển thị trong chế độ xem 3D.

Giờ đây, chúng ta có thể thay đổi độ phân giải của tổ ong bằng cách sử dụng thanh trượt được cung cấp để tìm ra sự cân bằng tốt nhất giữa độ phân giải cao hơn và có đủ không gian trong các ô để chứa đèn LED, pin và đầu nối mạch tế bào chéo.

Thanh trượt độ phân giải thay đổi đồng thời cả số cột và số ô vì việc thay đổi độ phân giải cho các cột và hàng một cách riêng biệt sẽ khiến hình dạng cuối cùng khác với hình dạng ban đầu.

Để thêm đèn LED, pin và đầu nối mạch tế bào chéo, chúng tôi chọn chúng từ danh sách các thành phần từ menu và thêm chúng bằng cách nhấp vào nút tương ứng. Thao tác này sẽ tự động tạo mô hình 3D của một hộp đại diện cho kích thước của thành phần điện tử đã chọn. Bây giờ chúng ta có thể kéo đèn LED và các thành phần điện tử khác đến một vị trí trong tập 3D. Trong trường hợp chúng tôi vô tình đặt một thành phần vào trong màn hình đầu tiên hoặc một ô không hợp lệ, nó sẽ tự động được chuyển đến ô hợp lệ tiếp theo.

1. Nhập mô hình 3D trong Rhinoceros.
2. Chạy "Grasshopper" và mở "HoneycombConvert_8.gh".
3. Chọn mô hình trong Rhinoceros và nhấp chuột phải vào một thành phần brep và "Đặt một pha" trên Grasshopper.
4. Mở "Bảng điều khiển từ xa" của Chế độ xem Grasshopper.
5. Thay đổi chiều rộng của ô bằng thanh trượt.
6. Chuyển đổi mô hình thành cấu trúc tổ ong và dữ liệu cắt 2D bằng cách nhấp vào "Chuyển đổi tổ ong".
7. Di chuyển thành phần (màu xanh lam) và thay đổi kích thước bằng cách "chọn thành phần từ danh sách này." (vẫn đang thi công)
8. Tạo dữ liệu thành phần bằng cách nhấp vào "tạo thành phần".
9. Tạo dữ liệu 2D bằng cách nhấp vào "tạo dữ liệu cắt".
10. Xuất các đường cắt với "các đối tượng được chọn" dưới dạng tệp AI.

Bước 3: Xuất các lớp để chế tạo

Khi chúng ta hoàn thành việc đặt các thành phần điện tử, chúng ta nhấn nút "export" để tạo các lớp để chế tạo. Khi xuất, plugin trình chỉnh sửa 3D tạo tất cả các lớp của ngăn xếp chế tạo dưới dạng tệp bản vẽ 2D (định dạng tệp. DXF) ngoại trừ lớp chứa dây dẫn, lớp này sẽ được tạo riêng trong bước sau của quy trình.

Để tạo lớp dây bị thiếu, người dùng mở tệp 2D của cấu trúc tổ ong trong phần mềm thiết kế điện tử EAGLE và thực thi plugin EAGLE ULP tùy chỉnh của chúng tôi. Plugin tạo bảng mạch có kích thước bằng mô hình tổ ong và sau đó chuyển đổi từng ô vuông màu trở lại thành một linh kiện điện tử (tức là đèn LED, pin và đầu nối mạch tế bào chéo). Với các thành phần điện tử đã có trên trang tính, bây giờ người dùng có thể xây dựng giản đồ. Cuối cùng, người dùng có thể sử dụng chức năng nối dây tự động của EAGLE để tạo mạch điện đầy đủ trên tấm hoàn thiện lớp cuối cùng còn thiếu để chế tạo.

** Hiện tại, plugin ULP đang được xây dựng. Bạn cần phải đặt các thành phần theo cách thủ công.

Bước 4: Chế tạo, lắp ráp và gấp

Bây giờ chúng ta có thể bắt đầu thêm các lớp đã tạo với nhau. Để chế tạo các lớp, chúng ta chỉ phải cắt bản vẽ 2D của từng lớp (định dạng tệp. DXF) theo đúng thứ tự bằng máy cắt decal.

Bước 5: Cắt và đục lỗ tấm nền

Đầu tiên, chúng tôi đưa tấm nền (nhựa PET) vào máy cắt và cắt và đục lỗ để tạo ra các đường núi, thung lũng và khe cũng như các điểm đánh dấu cho các linh kiện điện tử. Quy trình FoldTronics chỉ hoàn thiện trang tính từ trên xuống và phân biệt giữa các đường núi và thung lũng bằng cách sử dụng các ký hiệu trực quan riêng biệt (đường chấm cho núi so với đường đứt nét cho thung lũng) vì chúng yêu cầu gấp thành các hướng đối lập sau này. Ngoài ra, quy trình FoldTronics cũng có thể đục lỗ từ cả hai phía, tức là đục các ngọn núi từ đỉnh và thung lũng từ dưới lên, tuy nhiên, điều này yêu cầu phải đưa lại tờ giấy vào máy cắt.

Trong khi tất cả các khe đều được cắt qua, đường viền của tổ ong chỉ được đục lỗ để giữ nó kết nối với tấm chính, điều này cho phép chúng tôi xử lý thêm tấm bằng máy cắt decal trong các bước tiếp theo. Cuối cùng, các khu vực mà các linh kiện điện tử sẽ được hàn cũng được đục lỗ để giúp dễ dàng tìm ra thành phần nào sẽ đi đến đâu.

Đối với các đối tượng được sử dụng trong giấy này, chúng tôi sử dụng các tấm nhựa PET, độ dày 0,1mm và cắt các tấm bằng máy cắt decal (kiểu máy: Chân dung Silhouette, cài đặt cắt: lưỡi 0,2mm, tốc độ 2cm / s, lực 10, cài đặt đục lỗ: lưỡi 0,2mm, tốc độ 2cm / s, lực 6).

Bước 6: Đặt dây bằng băng đồng

Tiếp theo, chúng tôi đặt một lớp băng dính đồng một mặt (độ dày: 0,07mm) trên toàn bộ tấm. Chúng tôi đặt tấm trở lại máy cắt decal với mặt đồng hướng lên, sau đó thực hiện dũa để cắt hình dạng của các dây đã được cấu hình để đảm bảo không cắt vào tấm đế (cài đặt cắt: lưỡi cắt 0,2mm, tốc độ 2cm / s, lực lượng 13). Sau đó, chúng tôi bóc băng đồng không phải là một phần của hệ thống dây điện.

Bước 7: Tấm cách nhiệt

Để tránh hiện tượng đoản mạch do dây chạm vào nhau sau khi gấp tấm đế, tiếp theo chúng tôi phủ thêm một lớp cách điện. Đối với điều này, chúng tôi đặt một lớp băng dính không dẫn điện thông thường trên toàn bộ tấm (độ dày: 0,08mm). Chúng tôi đặt tờ giấy trở lại máy cắt decal, chỉ loại bỏ băng cách điện ở những khu vực có các đầu dây sẽ được kết nối với các linh kiện điện tử hoặc sử dụng đầu nối mạch tế bào chéo mới của chúng tôi. Chúng tôi sử dụng các cài đặt cắt: lưỡi 0,1mm, tốc độ 2cm / s, lực 4.

Bước 8: Núi / Thung lũng keo để giữ sau khi gấp

Trong bước tiếp theo, chúng tôi dán một lớp băng dính hai mặt thông thường lên tờ giấy ở cả mặt dưới và mặt trên của nó. Băng keo hai mặt được sử dụng để kết nối các thung lũng và núi giữ cấu trúc tổ ong với nhau sau khi gấp (các ngọn núi được dán từ trên cùng của các tấm trong khi các thung lũng được dán từ dưới cùng). Sau khi đưa tờ giấy vào máy cắt decal, băng dính hai mặt sẽ được cắt ra ở tất cả các khu vực không được dán với nhau (cài đặt cắt: lưỡi cắt 0,2mm, tốc độ 2cm / s, lực 6). Ngoài ra, đối với các thung lũng / núi được dán băng cũng mang đầu nối mạch xuyên ô, máy cắt decal sẽ cắt bỏ các khu vực cần thiết cho các kết nối điện tử. Sau khi cắt cả hai mặt, chúng ta bóc phần băng dính hai mặt còn lại.

Bước 9: Hàn

Trong bước cuối cùng trước khi hàn, bây giờ chúng tôi cắt bỏ mô hình tổ ong để ngắt kết nối nó khỏi tấm. Tiếp theo, chúng tôi hàn các thành phần điện tử (đèn LED, pin) lên dây bằng cách sử dụng mỏ hàn. Nếu các thành phần nhỏ và khó hàn, chúng ta cũng có thể sử dụng thuốc hàn để thay thế. Vì rất khó hàn đầu nối mạch chéo tế bào, chúng tôi sử dụng băng dính dẫn điện hai mặt để tạo kết nối.

Bước 10: Gấp

Bây giờ chúng ta gấp tổ ong lại với nhau.

Bước 11: Thắp sáng

Mạch của bạn đã sẵn sàng!