FoldTronics: создание 3D-объектов с помощью встроенной электроники с использованием складных конструкций HoneyComb: 11 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:52

В этом уроке мы представляем FoldTronics, технологию изготовления на основе 2D-резки, позволяющую интегрировать электронику в трехмерные складчатые объекты. Ключевая идея состоит в том, чтобы вырезать и перфорировать двухмерный лист с помощью режущего плоттера, чтобы он мог складываться в трехмерную сотовую структуру; перед складыванием пользователи кладут на лист электронные компоненты и схемы.

Процесс изготовления занимает всего несколько минут, что позволяет пользователям быстро создавать прототипы функциональных интерактивных устройств. Полученные в результате объекты легкие и жесткие, что позволяет использовать их с чувствительными к весу и усилиям приложениями. Благодаря природе сот, созданные объекты можно складывать плоско вдоль одной оси и, таким образом, их можно эффективно транспортировать в этом компактном форм-факторе.

Помимо бумагорезательной машины вам потребуются следующие материалы:

• Прозрачный пластиковый лист ПЭТ / прозрачная пленка
• Медный клейкий лист / фольга
• Двусторонний клейкий лист
• Двусторонняя клейкая токопроводящая лента
• Обычная большая лента или клейкий винил

Шаг 1. Загрузите программное обеспечение FoldTronics

Инструмент дизайна для FoldTronics реализован в 3D-редакторе Rhino3D как расширение Grasshopper. Grasshopper напрямую экспортирует слои для сотового листа, изоляционной ленты и сборки горы / долины. Кроме того, для создания разводки мы реализовали плагин ULP к программе электронного проектирования EAGLE, которая экспортирует слой разводки, делая стек слоев завершенным.

Программное обеспечение для нашего инструмента дизайна можно найти на GitHub:

Вам понадобятся:

• Последняя версия Rhino5 WIP
• Кузнечик
• ОРЕЛ
• Иллюстратор
• Силуэт Студия

Шаг 2: проектирование устройства с использованием программного обеспечения

Чтобы создать схему светодиода, мы начинаем с создания 3D-модели в 3D-редакторе Rhino3D, для которого мы реализовали наш плагин FoldTronics. После создания базовой формы 3D-модели мы преобразуем ее в сотовую структуру, нажав кнопку «преобразовать». Как только алгоритм разбивает модель на соты, результат отображается в трехмерном виде.

Теперь мы можем изменять разрешение сот, используя предоставленный ползунок, чтобы найти лучший компромисс между более высоким разрешением и наличием достаточного места в ячейках для размещения светодиода, батареи и разъема межэлементной схемы.

Ползунок разрешения изменяет и количество столбцов, и количество ячеек одновременно, потому что изменение разрешения для столбцов и строк по отдельности приведет к тому, что окончательная форма будет отличаться от исходной формы.

Чтобы добавить светодиод, батарею и соединитель межэлементной схемы, мы выбираем их из списка компонентов в меню и добавляем их, нажимая соответствующую кнопку. Это автоматически создает трехмерную модель коробки, представляющую размер выбранного электронного компонента. Теперь мы можем перетащить светодиод и другие электронные компоненты в какое-либо место в трехмерном объеме. В случае, если мы случайно помещаем компонент в складку или недопустимую ячейку, он автоматически перемещается в следующую допустимую ячейку.

1. Импортируйте 3D-модель в Rhinoceros.
2. Запустите Grasshopper и откройте HoneycombConvert_8.gh.
3. Выберите модель в Rhinoceros, щелкните правой кнопкой мыши компонент brep и "Set one brep" на Grasshopper.
4. Откройте «Панель дистанционного управления» просмотра Grasshopper.
5. Измените ширину ячейки с помощью ползунка.
6. Преобразуйте модель в сотовую структуру и данные 2D-резки, нажав кнопку «Преобразовать соты».
7. Переместите компонент (синий цвет) и измените размер, «выберите компоненты из этого списка». (все еще строительство)
8. Создание данных компонента путем нажатия кнопки «создать компоненты».
9. Создание 2D-данных путем нажатия кнопки «Создать данные для резки».
10. Экспортируйте линии разреза с «выбранными объектами» как файл AI.

Шаг 3: экспорт слоев для изготовления

Когда мы закончим с размещением электронных компонентов, мы нажимаем кнопку «экспорт», чтобы сгенерировать слои для изготовления. При экспорте подключаемый модуль 3D-редактора создает все слои производственного стека как файлы 2D-чертежей (формат файла. DXF), за исключением слоя, содержащего проводку, которая будет создана отдельно на более позднем этапе процесса.

Чтобы сгенерировать недостающий слой разводки, пользователи открывают 2D-файл сотовой структуры в программе электронного проектирования EAGLE и запускают наш собственный плагин EAGLE ULP. Плагин генерирует печатную плату размером с сотовый рисунок, а затем преобразует каждый цветной квадрат обратно в электронный компонент (то есть светодиод, батарею и соединитель схемы с перекрестными ячейками). Теперь, когда электронные компоненты уже на листе, пользователи могут построить схему. Наконец, пользователи могут использовать функцию автоматического подключения EAGLE для создания полной схемы на листе, заканчивая последний недостающий слой для изготовления.

** В настоящее время плагин ULP находится в разработке. Ставить компоненты нужно вручную.

Шаг 4: Изготовление, сборка и складывание

Теперь мы можем начать складывать сгенерированные слои вместе. Чтобы изготовить слои, нам нужно только вырезать 2D-чертеж каждого слоя (формат файла. DXF) в правильном порядке с помощью режущего плоттера.

Шаг 5: вырезание и перфорация основного листа

Сначала мы вставляем основной лист (ПЭТ-пластик) в резак, вырезаем и перфорируем его, чтобы создать линии гор, долин и щелей, а также маркеры для электронных компонентов. Процесс FoldTronics перфорирует лист только сверху и различает линии гор и долин, используя отдельные визуальные обозначения (пунктирные линии для гор и пунктирные линии для долин), поскольку в дальнейшем они требуют складывания в противоположных направлениях. В качестве альтернативы, процесс FoldTronics может также перфорировать лист с обеих сторон, то есть перфорировать горы сверху и впадины снизу, однако для этого потребуется повторно вставить лист в режущий плоттер.

Хотя все прорези прорезаны, контур сот перфорирован только для того, чтобы поддерживать соединение с основным листом, что позволяет нам обрабатывать лист режущим плоттером на следующих этапах. Наконец, области, где будут припаяны электронные компоненты, также перфорированы, чтобы облегчить определение того, какой компонент и куда идет.

Для объектов, используемых в этой статье, мы используем пластиковые листы ПЭТ толщиной 0,1 мм и разрезаем листы режущим плоттером (модель: Silhouette Portrait, настройки резки: лезвие 0,2 мм, скорость 2 см / с, сила 10, настройки перфорации: лезвие 0,2 мм, скорость 2 см / с, сила 6).

Шаг 6: Размещение проводки с помощью медной ленты

Затем мы накладываем слой односторонней медной ленты (толщиной 0,07 мм) по всему листу. Мы вставляем лист обратно в режущий плоттер медной стороной вверх, затем выполняем напильник, чтобы вырезать форму проводов, которая настроена таким образом, чтобы убедиться, что они не врезаются в основной лист (настройки резки: лезвие 0,2 мм, скорость 2 см. / с, сила 13). После этого снимаем медную ленту, которая не является частью проводки.

Шаг 7: изоляционный лист

Чтобы предотвратить короткое замыкание из-за соприкосновения проводов после складывания основного листа, мы добавляем изолирующий слой. Для этого наклеиваем на весь лист слой обычной непроводящей ленты (толщина: 0,08 мм). Мы вставляем лист обратно в режущий плоттер, который удаляет изоляционную ленту только в тех областях, у которых есть концы проводов, которые будут подключены к электронным компонентам или которые используют наш новый соединитель для кросс-ячеистой цепи. Используем настройки резки: лезвие 0,1 мм, скорость 2 см / с, усилие 4.

Шаг 8: приклейте горы / долины, чтобы они удерживались после складывания

На следующем этапе мы наклеиваем на лист слой обычного двустороннего скотча как снизу, так и сверху. Двусторонний скотч используется для соединения долин и гор, которые удерживают сотовую структуру вместе после складывания (горы склеиваются сверху листов, а долины склеиваются снизу). После того, как лист вставлен в режущий плоттер, двусторонняя лента обрезается на всех участках, которые не должны склеиваться вместе (настройки резки: лезвие 0,2 мм, скорость 2 см / с, усилие 6). Кроме того, для долин / гор, заклеенных лентой, которые также имеют разъем для межэлементной цепи, режущий плоттер вырезает области, необходимые для электронных соединений. Обрезав обе стороны, отклеиваем оставшийся двусторонний скотч.

Шаг 9: пайка

На последнем этапе перед пайкой мы теперь отрезаем сотовый узор, чтобы отсоединить его от листа. Далее припаиваем к проводам электронные компоненты (светодиод, аккумулятор) с помощью паяльника. Если компоненты маленькие и их трудно паять, мы также можем использовать паяльную пасту в качестве альтернативы. Поскольку пайка соединителя межэлементной схемы затруднена, мы используем двустороннюю токопроводящую ленту для создания соединения.

Шаг 10: складывание

Теперь складываем соты вместе.

Шаг 11: зажгите

Ваша схема готова!