Предыстория
Некоторое время назад я описал процесс изготовления "коробки от прокрастинации" – запирающейся коробочки, в которую нужно прятать смартфон, чтобы не отвлекаться на него. По поводу статьи мне пришло следующее письмо:
Привет! Мне очень понравилась твоя коробка от прокрастинации. Я веб-разработчик, и ищу кого-нибудь, кто сможет сделать мне прототип продукта, очень похожего на описанный тобою.
Я, конечно, обрадовался. Но потом подумал: я ведь не инженер. Одно дело – играться с доской для прототипирования, а другое – изготовить коммерческий продукт. К счастью, я был не первым новичком, стремящимся стать профессионалом, поэтому где-то через месяц я изготовил рабочий прототип (Cloister), и написал текст на 4 странички с пояснениями по информации, нарытой в сети.
Здесь я хочу собрать эту информацию воедино и структурировать её. Это не будет всеобъемлющая инструкция по прототипированию – я всё-таки новичок.
Наш прототип: the MoodCube
В педагогических целях мы с вами вместе изготовим простой прототип. Лично я всегда верил в обучение через примеры. Мы разработаем контур, чтобы получить плату специально для нашего проекта. Затем мы сделаем ей корпус и stl-файлы для распечатки его на 3д-принтере.
Уникальный продукт, который мы будем делать, и который принесёт нам богатство и славу – это MoodCube. Пластиковый кубик с RGB-светодиодами на 5 из 6 сторон. Управляться он будет с пульта.
От Arduino до самостоятельной платы
Сейчас у нас есть рабочий концепт, состоящий из приёмника VS1838B IR, прототипа Adafruit smartpixel, Arduino Uno и какой-то первый попавшийся пульт. Код взят из обучающего материала от Adafruit, и немного подправлен для работы с моим пультом.
Сначала нужно определиться: каков простейший вариант нашего контура? Каковы необходимые компоненты, и есть ли то, от чего можно избавиться. Здесь можно найти инструкцию по тому, как использовать отдельный чип ATMega на доске для прототипирования. Также секция «проекты» сайта AVRFreaks является прекрасным источником вдохновения.
В нашем случае нужен, по меньшей мере, один микроконтроллер, поскольку расшифровка ИК-сигналов требует быстрой работы. Я мог бы использовать ATtiny, но у меня в запасе были только ATMega328. Добавим несколько конденсаторов для стабилизации. Что насчёт питания? Подойдёт и 9-вольтовая батарейка, но нам потребуется регулятор напряжения, поскольку наш MCU будет кушать 5 В (Arduino уже не будет заниматься преобразованием напряжений для нас). Ну и у меня ещё был под рукой L7800.
Теперь мы проверяем, что наш голый контур работает именно так, как нам надо – перед тем, как переходить к разработке платы.
Разработка и изготовление платы
Теперь, определившись с дизайном контура, пора изготовить красивую схемку посредством Eagle. После разработки схемы можно будет приступать к изготовлению платы. На ресурсе Sparkfun есть инструкции по тому, как это делается:
Здесь есть несколько советов, а тут – инструмент для подсчёта оптимальной ширины дорожек.
Стоит спросить себя: какими требованиями будет ограничена наша плата? Нужен ли нам штырьковый монтаж компонентов, или их можно будет монтировать на поверхности? Последний вариант означает уменьшение стоимости сборки для больших объёмов. Робот-сборщик, будучи однажды настроенным, сможет сделать любое количество плат. А штырьковый монтаж – это обычно ручная работа. С другой стороны, если у вас нету специальной печи для пайки, и вы просто хотите изготовить несколько плат чисто для себя, вам проще будет выбрать штырьковый монтаж. Также этот вариант подойдёт для распространения вашего изделия в виде набора для самостоятельной пайки.
Кроме того, следует помнить об общей компоновке вашего устройства, которая может иметь значение для размера и форм-фактора платы (или наоборот).
Итак, мы ответили на все вопросы, у нас есть схема и раскладка платы. Файлы тут.
Теперь нужно делать плату. Справитесь сами или отдадите на производство? По поводу самостоятельного изготовления плат можно почитать эту статью.
В случае стороннего производства возникает другой вопрос – выбрать местных производителей или обратиться в Китай? Всё зависит от того, есть ли спешка. Местные сделают быстрее, но дороже. К примеру, я отдал $140 канадских компании APCircuits за 4 платы. Они прибыли через 5 дней, и получились очень качественными. В Китае мне бы сделали 10 плат за $14, и они пришли бы через 2-3 недели. Да, имейте в виду, что китайцы в любом случае сделают копию ваших схем — просто на случай, если они вдруг смогут продавать их самостоятельно.
Теперь ссылки.
- Ladyada — список производителей
- PCB Shopper – сравнение цен
- OSH Park – один из изготовителей. Принимают схемы в Eagle
- Seedstudio – компания-посредник, связывает вас с производителями в Шэньчжэне. Предлагают прототипирование плат, пайку и услуги 3д-принтера
- Dirty PCBs – дешёвые платы из Китая
Для поверхностного монтажа вам потребуется шаблон. Он нужен для нанесения припойной пасты на контур. Компоненты размещаются на плате, она идёт в печку, где паста плавится. И тут тоже придётся выбирать между качеством и ценой. Можно заказать тонкий пластиковый шаблон от OSH за $10 или шаблон из нержавейки за $125.
Теперь, когда с платой всё в порядке – займёмся разработкой корпуса!
Разработка и 3д-печать корпуса
Для создания проекта корпуса мы будем использовать Sketchup, а для проверки правильности .stl-файла – Meshlab.
Сначала нужно сделать экспорт модели вашей платы из Eagle, чтобы можно было строить корпус вокруг неё. Для этого пригодится расширение Eagle Up. На виртуальном складе Sketchup можно найти компоненты для заполнения платы. Учтите, что часто размер виртуальных предметов указывается в метрах, и всё необходимо масштабировать. Это происходит из-за того, что Sketchup используется для архитектурного моделирования, и не оптимизирован для точной разработки в размерах меньше метра. Поэтому принято разрабатывать всё в метрах, а затем уменьшать до нужного размера.
Затем можно приступать непосредственно к корпусу. Вот некоторые полезные ресурсы:
- видео с объяснением использования Sketchup для 3д-принтеров
- строим корпус в Sketchup
- как проверить модель на водонепроницаемость
- советы и подсказки по поводу инструмента move в Sketchup (а там реально сложно разобраться, это уж точно)
- где найти текстуры для моделей
Вернёмся к нашему MoodCube. Нам нужна база для размещения контура и элемента питания, и кубик-рассеиватель сверху. Идеально для данной задачи подошёл бы акрил, но и стандартные пластики PLA/PBS тоже должны подойти.
Низ крепится к верху единственным винтом и небольшим кусочком пластика, входящим в щель вверху.
С держателем элемента питания я не особо заморачивался и взял вот эту модель.
И вот результат. Когда вас всё будет устраивать, вы можете применить инструмент Solid Inspector для проверки целостности модели. Если тест пройдёт, можно экспортировать её в .stl благодаря ещё одному расширению, и затем сделать последнюю проверку на водонепроницаемость в Meshlab (или где вам удобнее).
Все файлы лежат тут.
Советую чаще обращаться к функциональности «Make component». Тогда если некоторые части вашей модели будут копиями других частей, вам нужно будет поменять одну из них, и все остальные поменяются также. Как и в программировании, модульность и возможность повторного использования – ключевые моменты, облегчающие жизнь.
Теперь нам надо распечатать модель. Если у вас нет своего 3д-принтера, придётся воспользоваться чьими-нибудь услугами. Если цены на подобные услуги покажутся вам большими, то учтите, что вы оплачиваете не только пластик, но и время машины, время оператора и амортизацию принтера. К тому же, часто оператору принтера приходится дорабатывать модель.
С другой стороны, модели обычно не печатают со 100% плотностью. Если, допустим, объём вашей модели составляет 100 см3, а стоимость кубика пластика будет $1, то вы не заплатите $100. Обычно плотность бывает от 15 до 40% (чем больше плотность, тем прочнее), и вы заплатите от $15 до $40.
Можно попробовать обратиться в Shapeway – это игрок крупный, но и цену они ломят. Я предпочитаю заходить на 3dHubs и искать местные компании. Судя по всему, предложение на 3д-печать сильно превышает спрос, поэтому можно хорошенечко поторговаться.
Засим мой полезный опыт кончается. Надеюсь, что вы нашли для себя нечто полезное и интересное.
Дополнительные ресурсы
EEVblog video : разработка плат для производства
Как пройти от прототипа на ардуино до продукта
Как пройти от прототипа на ардуино до массового производства
От ардуино до производства
Если ардуино – для прототипирования, то как сделать реальный продукт?
От прототипа к производству
От прототипа через кикстартер и к производству
Как новичку пойти в производство
Как наладить промышленное производство электроники
Информативные комментарии к посту
