Основы разработки корпусов из пластмассы для радиоэлектроники и приборостроения
Несмотря на то, что основой любого электронного продукта являются его внутренние компоненты, узнают его именно по внешней оболочке, корпусу, привлекающему внимание своим дизайном и понятными органами управления.
В этом посте мы рассмотрим пошаговую разработку корпуса на примере датчика состояния почвы. В основе — этот замечательный проект Райна Мэдсона. Используя всего несколько сенсоров, плату для разработки Photon от Particle с Wi-Fi модулем и облачную онлайн-платформу Fathym, ему удалось собрать систему непрерывного мониторинга влажности и температуры для домашнего растения.
В рамках данного проекта мы сосредоточимся на функциональности корпуса и опустим разработку внешнего вида.
Шаг 1: Соответствие требованиям изделия
Для любого проекта первым шагом, позволяющим избежать ненужного увеличения стоимости и трудоёмкости, выполнив работу в заявленный срок, является чёткое и полное определение требований к корпусу.
На этом этапе нужно задать вопрос: какую функцию должен выполнять мой корпус и каковы его базовые особенности?
Вот основные требования для корпуса нашего изделия:Корпус должен вместить в себя плату Photon, а также датчики температуры и влажности.
- Корпус должен вместить в себя плату Photon, а также датчики температуры и влажности.
- Датчик влажности должен погружаться в почву минимум на дюйм.
- Для управления устройством на корпусе должны располагаться две кнопки.
- Необходимо обеспечить видимость смонтированного на плату светодиода.
Вышеперечисленные параметры являются обязательными для успешного дизайна. Обратите внимание, что мы не добавляем никаких специфических условий вроде конкретной толщины корпуса. В самом начале придерживайтесь базовых требований, чтобы в дальнейшем можно было добавить необходимые свойства без лишних проблем.
Советы профессионалов. Зачастую электронные компоненты заметно нагреваются во время работы. В таком случае позаботьтесь о наличии вентилятора и/или вентиляционных отверстий.
Шаг 2: Моделирование внутренних компонентов
Приступим к работе. Начать стоит с осмысления расположения внутренних частей и их крепления.
В идеальном случае вы должны чётко понимать внутреннее устройство изделия — это поможет разработать корпус в точном соответствии с задуманным. В нашем случае мы имеем плату Photon Particle Board (https://www.particle.io/products/hardware/photon-w...), датчики температуры (https://www.sparkfun.com/products/10988) и влажности почвы (https://www.sparkfun.com/products/13322).
Создание моделей крупных частей — платы и датчика влажности почвы — упростит разработку конструкции. В ряде случаев изготовитель сам предоставляет необходимые чертежи или 3D-модели.
Нам удалось найти чертежи платы и датчика и на их основе создать 3D-модели.
В нашем случае нет необходимости наносить все элементы изделия. Важны только габаритные размеры и стыковочные элементы — всем остальным можно пренебречь.
Например, приведенные здесь модели датчика влажности и платы достаточно схематичны, но их внешний вид представлен вполне наглядно.
Шаг 3: Создание оболочки
Имея на руках модели внутренних частей, можно приступить к созданию оболочки корпуса вокруг них. Начнем с создания простой открытой формы из прямоугольного примитива.
Поскольку изготовление корпусов в нашем случае производится литьём под давлением, необходимо стремиться сохранить одинаковую толщину стенок по всей форме корпуса.
Мы установим универсальную толщину стенок 1,5 мм, поскольку такие значения позволяют использовать 3D-печать наравне с литьём.
Шаг 4: Добавление разъёма и отверстий для датчика влажности
Одним из требований нашего изделия является погружение датчика влажности в почву на дюйм минимум. Можно обеспечить проводное соединение датчика снаружи с платой в корпусе, но лучше выполнить изделие цельно, всё в одном.
Добавим разъём для вертикального крепления датчика влажности. Это позволит контактам выйти с нижней части корпуса.
Шаг 5: Вырезы для проводных соединений и USB-входа
Для подключения датчика влажности необходим доступ к его верхней части, для этого удалим часть материала, сохранив при этом разъём для крепления.
Также добавим вырез для разъема микро-USB. Плата будет вставляться в него разъемом, обеспечивая некое выравнивание.
Шаг 6: Ребра для опоры платы
Пока плата держится только за счет USB-разъема, поэтому для лучшей фиксации необходимо добавить опорные ребра.
К счастью, на нижней стороне платы отсутствуют какие-либо компоненты, и нет необходимости беспокоиться об их сохранности. Простейшим способом создания опор является добавление ребер одинаковой высоты, на которых сможет разместиться плата:
Так выглядит сборка на данном этапе:
Шаг 7: Добавление крепления
Теперь необходимо продумать способ крепления крышки. Подходящим вариантом будет использование винтов с головкой под шестигранник, для этого добавим элементы, позволяющие винтам занять место в корпусе.
Добавленные элементы являются типовыми для литья под давлением. Выступы вокруг отверстий имеют дополнительные ребра жесткости для усиления всей структуры. Все описанные части имеют выбранную нами ранее универсальную толщину в 1,5 мм.
Шаг 8: Вырезы для гаек
При использовании металлических креплений в пластиковых изделиях вырезаются отверстия точно по размерам гаек, чтобы предотвратить люфт и надежно их зафиксировать при закручивании винтов.
Шаг 9: Скругление внешних углов
Наконец, приступаем к скруглению углов - это распределит нагрузку и улучшит внешний вид корпуса.
Мы по-прежнему поддерживаем общую толщину, поэтому радиус внешних углов (3,5 мм) будет несколько больше радиуса внутренних (2 мм).
Одновременно скруглим внутренние углы. Важно поддерживать значение этого радиуса небольшим во избежание повышенного расхода материала и соответствующего увеличения толщины стенок.
Так выглядит законченная сборка:
Шаг 10: Крышка
Приступим к работе над крышкой. Мы применим тот же подход — создадим примитив в виде открытой прямоугольной коробки, добавим выступы с отверстиями для винтов и скруглим внешние углы для соответствия форме корпуса.
Выступы для креплений имеют такой вид в связи с универсальной толщиной стенок. Именно так они выглядят с противоположной стороны.
Здесь выступы выполнены чуть короче, чем высота внешних стенок, чтобы не создавать помех при сборке корпуса.
Шаг 11: Скругление углов и внешних граней
Подобно Шагу 9 для нижней части корпуса, мы скругляем внешние грани для распределения нагрузки и соответствия верхней и нижней частей.
Шаг 12: Выступ под USB-разъём
Этот небольшой выступ стыкуется с микро-USB разъёмом, закрепляя его в отверстии в нижней части корпуса.
Шаг 13: Отверстия для кнопок и светодиода
Согласно начальным требованиям, на крышке должны располагаться отверстия для кнопок и светодиода.
Шаг 14: Ребро для крепления датчика влажности
При погружении датчика в почву есть вероятность его контакта с крышкой, что нежелательно.
Чтобы исключить такой вариант развития событий, добавим на крышку ребро для удержания датчика в неподвижном положении.
Шаг 15: Скругление внутренних углов
Последний шаг — скругление всех острых граней, которые не только неприятны эстетически, но также являются точками сосредоточения излишней нагрузки. Радиус снова будет небольшим (2 мм) во избежание избыточного расхода материала.
Добавим к нашей сборке крышку и крепёж.
Обязательно оставьте свободное место для проводки и её изгибов! Легко забыть об этом при разработке дизайна, но проблема нехватки места для проводов вполне может проявиться при сборке готового продукта. На верхнем изображении видно, что в нашем корпусе оставлено достаточно пространства (практически полдюйма) над платой для укладки проводов и датчика температуры.
Заключение
Ваш корпус готов для 3D-печати или литья полиуретанов в силиконовые формы. Для производства его по другим технологиям (например, литье пластика под давлением) требуется дополнительная доработка модели. Лучше это делать силами технологов на том предприятии, где вы планируете разместить производство корпуса.
Это перевод статьи https://www.fictiv.com/hwg/design/enclosure-design-101, но если что-то непонятно по проектированию корпусов — обращайтесь, постараемся помочь.
