Cát kỹ thuật số 3D: 11 bước (có hình ảnh)

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

Dự án này là phần tiếp theo của Khối lập phương LED DotStar của tôi, nơi tôi sử dụng đèn LED SMD gắn với PCB bằng thủy tinh. Một thời gian ngắn sau khi hoàn thành dự án này, tôi đã bắt gặp cát LED hoạt hình của Adafruit sử dụng gia tốc kế và ma trận LED để mô phỏng chuyển động của các hạt cát. Tôi nghĩ sẽ là một ý tưởng hay nếu mở rộng dự án này sang chiều không gian thứ ba bằng cách chỉ xây dựng một phiên bản lớn hơn của khối LED của tôi được ghép nối với một máy đo gia tốc. Tôi cũng muốn thử đúc khối lập phương bằng nhựa epoxy.

Nếu bạn muốn xem khối lập phương đang hoạt động, hãy di chuyển xuống video.

Bước 1: Hóa đơn nguyên vật liệu

Danh sách sau đây bao gồm các vật liệu cần thiết để xây dựng khối lập phương như trong hình

• 144 chiếc đèn LED SK6805-2427 (ví dụ: aliexpress)
• các trang trình bày kính hiển vi (ví dụ: amazon.de)
• băng đồng (0,035 x 30 mm) (ví dụ: ebay.de)
• Bộ cơ bản TinyDuino - phiên bản lithium
• mô-đun gia tốc kế (ví dụ: ASD2511-R-A TinyShield hoặc GY-521)
• PCB nguyên mẫu (30 x 70 mm) (ví dụ: amazon.de)
• nhựa đúc trong suốt (ví dụ: conrad.de hoặc amazon.de)
• Nhà ở in 3D

Vật liệu bổ sung và công cụ cần thiết để xây dựng

• Mỏ hàn không khí nóng
• mỏ hàn bình thường với đầu nhọn
• máy in 3D
• Máy in laser
• Đầu nối Dupont
• dây dẫn nhỏ
• Chân tiêu đề PCB
• keo hàn nhiệt độ thấp
• PCB etchant (ví dụ như clorua sắt)
• Keo đóng rắn UV cho kính kim loại (ví dụ: NO61)
• keo đa dụng (ví dụ: UHU Hart)
• keo silicon
• giấy chuyển mực
• axeton

Bước 2: Chế tạo PCB bằng thủy tinh

Quá trình này đã được mô tả chi tiết trong hướng dẫn trước đây của tôi về Khối lập phương LED DotStar của tôi, do đó, tôi sẽ chỉ sơ lược qua các bước.

1. Cắt các tấm kính hiển vi thành các miếng có chiều dài 50,8 mm. Tôi đã in 3D một đồ gá để giúp tôi đạt được chiều dài phù hợp (xem tệp.stl đính kèm). Bạn sẽ cần 4 slide mà tôi giới thiệu để tạo thành 6 đến 8 miếng.
2. Dán lá đồng lên đế thủy tinh. Tôi đã sử dụng keo đóng rắn UV NO61.
3. In pdf đính kèm với PCB desing lên giấy chuyển mực bằng máy in laser. Sau đó, cắt ra từng miếng.
4. Chuyển thiết kế PCB lên lớp bọc đồng. Tôi đã sử dụng máy cán mỏng cho mục đích này.
5. Rút đồng bằng cách sử dụng ví dụ: sắt clorua
6. Loại bỏ mực bằng axeton

Bước 3: Đèn LED hàn

Trong khối LED DotStar của mình, tôi đã sử dụng đèn LED APA102-2020 và kế hoạch là sử dụng cùng loại đèn LED trong dự án này. Tuy nhiên, do khoảng cách nhỏ giữa các miếng đệm riêng lẻ của đèn LED nên rất dễ tạo ra các cầu hàn. Điều này buộc tôi phải hàn từng đèn LED bằng tay và tôi thực sự đã làm điều tương tự trong dự án này. Thật không may, khi tôi đã hoàn thành dự án thì đột nhiên một số cầu nối hàn hoặc các điểm tiếp xúc không tốt bắt đầu xuất hiện buộc tôi phải tháo rời mọi thứ một lần nữa. Sau đó, tôi quyết định chuyển sang đèn LED SK6805-2427 lớn hơn một chút, có cách bố trí miếng đệm khác khiến chúng dễ hàn hơn nhiều.

Tôi phủ tất cả các miếng đệm bằng keo hàn nóng chảy thấp và sau đó đặt các đèn LED lên trên. Quan tâm đến hướng chính xác của đèn LED bằng cách tham khảo sơ đồ đính kèm. Sau đó, tôi đặt PCB trên bếp điện và đun nóng cẩn thận cho đến khi hàn nóng chảy. Điều này hoạt động êm ái và tôi chỉ phải làm lại một chút với mỏ hàn không khí nóng của mình. Để kiểm tra ma trận LED, tôi đã sử dụng Arduino Nano chạy ví dụ thử nghiệm sợi Adafruit NeoPixel và kết nối nó với ma trận bằng dây Dupont.

Bước 4: Chuẩn bị PCB dưới cùng

Đối với PCB dưới cùng, tôi cắt một miếng 30 x 30 mm từ một bảng nguyên mẫu. Sau đó, tôi hàn một số đầu ghim vào nó, nơi các PCB thủy tinh sẽ được kết nối sau đó. Các chân VCC và GND được kết nối bằng một đoạn dây đồng tráng bạc nhỏ. Sau đó, tôi hàn kín tất cả các lỗ còn lại qua các lỗ vì nếu không nhựa epoxy sẽ thấm qua trong quá trình đúc.

Bước 5: Gắn PCB bằng kính

Để gắn các ma trận LED vào PCB dưới cùng, tôi lại sử dụng keo đóng rắn UV nhưng có độ nhớt cao hơn (NO68). Để căn chỉnh thích hợp, tôi đã sử dụng đồ gá in 3D (xem tệp.stl đính kèm). Sau khi dán, các PCB bằng kính vẫn còn hơi lung lay nhưng trở nên cứng cáp hơn sau khi chúng được hàn vào các đầu ghim. Đối với điều này, tôi chỉ sử dụng mỏ hàn bình thường của tôi và thuốc hàn thông thường. Một lần nữa, bạn nên kiểm tra mọi ma trận sau khi hàn. Các kết nối giữa Din và Dout của các ma trận riêng lẻ được thực hiện bằng các dây Dupont được kết nối với các đầu ghim ở phía dưới.

Bước 6: Lắp ráp thiết bị điện tử

Bởi vì tôi muốn làm cho kích thước của vỏ máy càng nhỏ càng tốt, tôi không muốn sử dụng Arduino Nano hoặc Micro thông thường. Khối lập phương LED 1/2 này vào thứ 49 khiến tôi biết đến bảng TinyDuino có vẻ hoàn hảo cho dự án này. Tôi đã nhận bộ công cụ cơ bản bao gồm bảng bộ xử lý, một tấm chắn USB để lập trình, một bảng proto cho các kết nối bên ngoài cũng như một pin LiPo nhỏ có thể sạc lại được. Khi nhìn lại, tôi cũng nên mua tấm chắn gia tốc kế 3 trục mà họ cung cấp thay vì sử dụng mô-đun GY-521 mà tôi vẫn đặt xung quanh. Điều này sẽ làm cho chiếc ống nhỏ gọn hơn và giảm kích thước cần thiết của vỏ. Sơ đồ cho bản dựng này khá dễ dàng và được đính kèm bên dưới. Tôi đã thực hiện một số sửa đổi đối với bo mạch bộ xử lý TinyDuino, nơi tôi đã thêm một công tắc bên ngoài sau pin. Bo mạch xử lý đã có một công tắc nhưng nó chỉ ngắn gọn để vừa vặn qua vỏ. Các kết nối với bo mạch proto và mô-đun GY-521 được thực hiện bằng cách sử dụng đầu ghim không cho phép thiết kế nhỏ gọn nhất nhưng mang lại sự linh hoạt hơn so với hàn dây trực tiếp. T Chiều dài của các dây / chân ở dưới cùng của bảng proto phải càng ngắn càng tốt nếu không bạn không thể cắm nó vào đầu bảng bộ xử lý nữa.

Bước 7: Tải lên mã

Sau khi bạn đã lắp ráp các thiết bị điện tử, bạn có thể tải lên mã đính kèm và kiểm tra xem mọi thứ đang hoạt động. Đoạn mã bao gồm các hoạt ảnh sau đây có thể được lặp lại bằng cách lắc gia tốc kế.

• Cầu vồng: Hoạt hình cầu vồng từ thư viện FastLED
• Digital Sand: Đây là phần mở rộng của mã cát LED hoạt hình Adafruits thành ba chiều. Các điểm ảnh LED sẽ di chuyển theo các giá trị đọc được từ gia tốc kế.
• Mưa: Điểm ảnh rơi xuống từ trên xuống theo độ nghiêng được đo bằng gia tốc kế
• Hoa giấy: Các đốm màu ngẫu nhiên nhấp nháy và mờ dần từ thư viện FastLED

Bước 8: Truyền

Bây giờ là lúc đúc ma trận LED thành nhựa. Như đã đề xuất trong một nhận xét trong bản dựng trước của tôi, sẽ rất tuyệt nếu chiết suất của nhựa thông và thủy tinh khớp nhau để thủy tinh không thể nhìn thấy được. Đánh giá từ các chỉ số khúc xạ của cả hai thành phần của nhựa, tôi nghĩ rằng điều này có thể khả thi bằng cách thay đổi một chút tỷ lệ pha trộn của cả hai. Tuy nhiên, sau khi thực hiện một số thử nghiệm, tôi nhận thấy rằng tôi không thể thay đổi đáng kể chỉ số khúc xạ mà không làm hỏng độ cứng của nhựa. Điều này không quá tệ vì kính chỉ có thể nhìn thấy rõ ràng và cuối cùng tôi đã mài bớt để làm nhám bề mặt của nhựa. Điều quan trọng là phải tìm một vật liệu thích hợp có thể được sử dụng làm khuôn. Tôi đã đọc về những khó khăn khi tháo khuôn sau khi đúc trong các dự án tương tự như khối nhựa của lonesoulsurfer. Sau một số thử nghiệm không thành công của chính mình, tôi nhận thấy rằng cách tốt nhất là in 3D khuôn và sau đó phủ một lớp keo silicon. Tôi vừa in một lớp duy nhất của hộp có kích thước 30 x 30 x 60 mm bằng cách sử dụng cài đặt "đường viền bên ngoài phân biệt" trong Cura (tệp.stl đính kèm). Phủ một lớp silicone mỏng bên trong giúp cho việc tháo khuôn sau đó rất dễ dàng. Khuôn được gắn vào PCB dưới cùng cũng bằng chất trám silicone. Đảm bảo rằng không có lỗ nào vì tất nhiên nhựa sẽ thấm qua và bọt khí cũng sẽ hình thành trong nhựa. Thật không may, tôi đã có một số rò rỉ nhỏ, tôi tin rằng đó là nguyên nhân dẫn đến các bọt khí nhỏ hình thành gần thành khuôn.

Bước 9: Đánh bóng

Sau khi lấy khuôn ra, bạn có thể thấy khối lập phương trông rất rõ ràng do bề mặt khuôn được tráng silicone mịn. Tuy nhiên, có một số bất thường do sự thay đổi về độ dày của lớp silicone. Ngoài ra mặt trên cũng bị cong vênh về phía các cạnh do bám dính. Vì vậy, tôi đã tinh chỉnh hình dạng bằng cách chà nhám ướt sử dụng giấy nhám 240 grit. Ban đầu, kế hoạch của tôi là sửa sang lại mọi thứ bằng cách chuyển sang những khối đá mịn hơn, tuy nhiên, cuối cùng tôi quyết định rằng khối lập phương trông đẹp hơn với bề mặt được làm nhám nên tôi đã hoàn thành với 600 grit.

Bước 10: Gắn vào nhà ở

Vỏ cho thiết bị điện tử được thiết kế bằng Autodesk Fusion 360 và sau đó được in 3D. Tôi đã thêm một lỗ hình chữ nhật trên tường cho công tắc và một số lỗ ở phía sau để gắn mô-đun GY-521 bằng cách sử dụng vít M3. Bo mạch xử lý TinyDuino được gắn vào tấm dưới cùng sau đó được gắn vào vỏ bằng vít M2.2. Lúc đầu, tôi gắn công tắc vào vỏ bằng keo nóng, sau đó gắn mô-đun GY-521, sau đó bảng điều khiển và pin được lắp cẩn thận. Ma trận LED được gắn vào bảng proto bằng cách sử dụng các đầu nối Dupont và bảng mạch xử lý chỉ có thể được cắm từ phía dưới. Cuối cùng, tôi dán PCB dưới cùng của ma trận LED vào vỏ bằng chất kết dính đa năng (UHU Hart).

Bước 11: Hoàn thành khối lập phương

Cuối cùng thì khối lập phương đã hoàn thành và bạn có thể thưởng thức màn trình diễn ánh sáng. Kiểm tra video của khối hoạt hình.