3D digitálny piesok: 11 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:59

Tento projekt je akýmsi pokračovaním mojej DotStar LED Cube, kde som použil LED diódy SMD pripevnené na sklenené dosky plošných spojov. Krátko po dokončení tohto projektu som narazil na animovaný LED piesok od spoločnosti Adafruit, ktorý pomocou akcelerometra a matice LED simuluje pohyb zrniek piesku. Myslel som si, že by bolo pekné rozšíriť tento projekt do tretej dimenzie tým, že postavím väčšiu verziu mojej LED kocky spárovanej s akcelerometrom. Tiež som chcel skúsiť odliať kocku do epoxidovej živice.

Ak chcete vidieť kocku v akcii, posuňte sa úplne dole k videu.

Krok 1: Kusovník

Nasledujúci zoznam obsahuje materiály potrebné na stavbu kocky, ako je znázornené na obrázku

• 144 ks SK6805-2427 LED (napr. Aliexpress)
• mikroskopické sklíčka (napr. amazon.de)
• medená páska (0,035 x 30 mm) (napr. ebay.de)
• Základná sada TinyDuino - lítiová verzia
• modul akcelerometra (napr. ASD2511-R-A TinyShield alebo GY-521)
• prototyp DPS (30 x 70 mm) (napr. amazon.de)
• číra živica na odlievanie (napr. conrad.de alebo amazon.de)
• 3D tlačené puzdro

Na stavbu sú potrebné ďalšie materiály a nástroje

• Teplovzdušná spájkovačka
• bežná spájkovačka s jemným hrotom
• 3D tlačiareň
• laserova tlačiareň
• Dupont konektory
• tenký drôt
• Kolíkové konektory do DPS
• nízkoteplotná spájkovacia pasta
• Leptadlo na PCB (napr. Chlorid železitý)
• UV vytvrdzovacie lepidlo na kovové sklo (napr. NO61)
• univerzálne lepidlo (napr. UHU Hart)
• silikónový tmel
• papier na prenos tonera
• acetón

Krok 2: Výroba sklenených plošných spojov

Tento proces je už podrobne popísaný v mojom predchádzajúcom pokyne k mojej DotStar LED Cube, preto si len stručne prejdem kroky.

1. Sklíčka mikropepe nakrájajte na kúsky s dĺžkou 50,8 mm. Nechal som 3D vytlačený prípravok, aby mi pomohol dosiahnuť správnu dĺžku (pozri priložený súbor.stl). Budete potrebovať 4 diapozitívy, ktoré odporúčam na výrobu 6 až 8 kusov.
2. Prilepte medenú fóliu na sklenený podklad. Použil som UV vytvrdzovacie lepidlo NO61.
3. Vytlačte priložený dokument PDF s návrhom DPS na papier na prenos tonera pomocou laserovej tlačiarne. Potom nakrájajte jednotlivé kúsky.
4. Preneste dizajn DPS na medený plášť. Na tento účel som použil laminátor.
5. Odleptajte meď pomocou napr. chlorid železitý
6. Odstráňte toner pomocou acetónu

Krok 3: Spájkovacie diódy LED

V mojej LED kocke DotStar som použil LED diódy APA102-2020 a v pláne bolo v tomto projekte použiť rovnaký typ LED diód. Vzhľadom na malú vzdialenosť medzi jednotlivými podložkami diód LED je však veľmi ľahké vytvárať spájkovacie mostíky. To ma prinútilo spájkovať každú jednu LED ručne a v skutočnosti som urobil to isté na tomto projekte. Nanešťastie, keď som mal projekt takmer dokončený, zrazu sa začali objavovať spájkovacie mostíky alebo zlé kontakty, čo ma prinútilo všetko znova rozobrať. Potom som sa rozhodol prejsť na o niečo väčšie LED diódy SK6805-2427, ktoré majú odlišné rozloženie podložiek, čo uľahčuje ich spájkovanie.

Všetky podložky som pokryl spájkovacou pastou s nízkou teplotou topenia a potom som umiestnil LED diódy na vrch. Dbajte na správnu orientáciu LED diód podľa priloženej schémy. Potom som PCB položil na horúcu platňu v našej kuchyni a opatrne ju zahrieval, kým sa spájka neroztopila. Toto fungovalo dobre a ja som musel s teplovzdušnou spájkovačkou len málo prerábať. Na testovanie matice LED som použil Arduino Nano s príkladom Strandtest Adafruit NeoPixel a pripojil som ho k matici pomocou vodičov Dupont.

Krok 4: Príprava spodnej PCB

Na spodnú dosku plošných spojov som narezal kus 30 x 30 mm z prototypovej dosky. Potom som k nemu pripájal niekoľko kolíkových konektorov, kde budú potom pripojené sklenené dosky plošných spojov. Kolíky VCC a GND boli spojené malým kúskom postriebreného medeného drôtu. Potom som všetky zvyšné priechodné otvory utesnil spájkou, pretože inak by epoxidová živica počas procesu odlievania presakovala.

Krok 5: Pripojte sklenené dosky plošných spojov

Na pripevnenie LED matíc k spodnej doske plošných spojov som opäť použil lepidlo vytvrdzované UV žiarením, ale s vyššou viskozitou (NO68). Na správne zarovnanie som použil 3D tlačený prípravok (pozri priložený súbor.stl). Po lepení boli dosky plošných spojov stále trochu krútiace sa, ale po spájkovaní s kolíkovými hlavičkami sa stali tuhšími. Na tento účel som použil svoju bežnú spájkovačku a bežnú spájku. Opäť je dobré otestovať každú maticu po spájkovaní. Spojenia medzi Din a Dout jednotlivých matríc boli vykonané pomocou vodičov Dupont spojených s kolíkovými konektormi v spodnej časti.

Krok 6: Zostavte elektroniku

Pretože som chcel čo najmenšie rozmery krytu, nechcel som používať bežné Arduino Nano alebo Micro. Táto 1/2 kocka LED o 49. mieste mi dala vedieť o doskách TinyDuino, ktoré sa mi zdali pre tento projekt perfektné. Dostal som základnú sadu, ktorá obsahuje dosku procesora, štít USB na programovanie, dosku protobo pre externé pripojenia a tiež malá nabíjateľná batéria LiPo. Spätne som mal namiesto modulu GY-521, ktorý som stále ležal, kúpiť aj 3-osový štít akcelerometra, ktorý ponúkajú. Vďaka tomu by bol obvod ešte kompaktnejší a zmenšili by sa potrebné rozmery. Schéma tejto zostavy je pomerne jednoduchá a je pripojená nižšie. Vykonal som určité úpravy na doske procesora TinyDuino, kde som po batérii pridal externý prepínač. Na doske procesora je už prepínač, ale bol príliš krátky na pripojenia k doske proto a modulu GY-521 sa vykonávajú pomocou kolíkových konektorov, ktoré neumožňujú najkompaktnejší dizajn, ale ponúkajú väčšiu flexibilitu ako spájkovanie vodičov priamo. T Dĺžka vodičov/kolíkov v spodnej časti proto dosky by mala byť čo najkratšia, inak ju už nemôžete zapojiť do hornej časti dosky procesora.

Krok 7: Nahrajte kód

Keď máte zostavenú elektroniku, môžete nahrať priložený kód a vyskúšať, či všetko funguje. Kód obsahuje nasledujúce animácie, ktoré je možné iterovať potrasením akcelerometra.

• Rainbow: Rainbow animácia z knižnice FastLED
• Digital Sand: Toto je rozšírenie animovaného kódu LED piesku Adafruits o tri rozmery. Pixely LED sa budú pohybovať podľa hodnôt odčítaných z akcelerometra.
• Dážď: Pixely padajúce zhora nadol podľa naklonenia meraného akcelerometrom
• Konfety: Náhodne farebné škvrny, ktoré blikajú a plynule miznú z knižnice FastLED

Krok 8: Casting

Teraz je čas na odlievanie matice LED do živice. Ako naznačuje komentár v mojej predchádzajúcej stavbe, bolo by pekné, keby sa indexy lomu živice a skla zhodovali, aby bolo sklo neviditeľné. Súdiac podľa indexov lomu obidvoch zložiek živice, myslel som si, že by to mohlo byť možné trocha zmenou pomeru miešania týchto dvoch zložiek. Po nejakom teste som však zistil, že som nebol schopný znateľne zmeniť index lomu bez toho, aby som zničil tvrdosť živice. Nie je to také zlé, pretože sklo je len slabo viditeľné a nakoniec som sa rozhodol povrch živice napriek tomu zdrsniť. Tiež bolo dôležité nájsť vhodný materiál, ktorý by sa dal použiť ako forma. Čítal som o ťažkostiach pri odstraňovaní plesne po odlievaní v podobných projektoch, ako je kocka živice lonesoulsurfera. Po niekoľkých vlastných neúspešných pokusoch som zistil, že najlepším spôsobom je nechať si vytlačiť formu 3D a potom ju natrieť silikónovým tesniacim materiálom. Práve som vytlačil jednu vrstvu škatule s rozmermi 30 x 30 x 60 mm pomocou nastavenia „špirálovitý vonkajší obrys“v aplikácii Cura (priložený súbor.stl). Vnútorná vrstva je potiahnutá tenkou vrstvou silikónu, takže sa forma veľmi ľahko odstráni. Forma bola pripevnená k spodnej doske plošných spojov tiež pomocou silikónového tesniaceho prostriedku. Uistite sa, že nie sú žiadne otvory, pretože živica samozrejme presakuje a taktiež sa v živici vytvoria vzduchové bubliny. Nanešťastie som mal malý únik, ktorý, myslím, je zodpovedný za malé vzduchové bubliny, ktoré sa vytvorili v blízkosti steny formy.

Krok 9: Leštenie

Po vybratí formy môžete vidieť, že kocka vyzerá veľmi jasne vďaka hladkému povrchu formy potiahnutému silikónom. Vyskytli sa však určité nepravidelnosti v dôsledku rozdielov v hrúbke silikónovej vrstvy. Horný povrch bol tiež prilepený k okrajom v dôsledku adhézie. Preto som tvar zdokonalil mokrým brúsením pomocou brúsneho papiera s zrnitosťou 240. Pôvodne som mal v pláne všetko zrusiť prechodom na stále jemnejšie zrna, ale nakoniec som sa rozhodol, že kocka vyzerá lepšie so zdrsneným povrchom, a tak som skončil so zrnitosťou 600.

Krok 10: Namontujte do puzdra

Kryt pre elektroniku bol navrhnutý s technológiou Autodesk Fusion 360 a potom vytlačený 3D. Pridal som obdĺžnikový otvor v stene pre vypínač a niekoľko otvorov v zadnej časti na upevnenie modulu GY-521 pomocou skrutiek M3. Doska procesora TinyDuino bola pripevnená k spodnej doske, ktorá bola potom pripevnená k puzdru pomocou skrutiek M2.2. Najprv som spínač namontoval do krytu pomocou horúceho lepidla, potom som namontoval modul GY-521 a potom sme opatrne vložili protoboard a batériu. LED matica bola k doske proto pripevnená pomocou konektorov Dupont a procesorovú dosku je možné zapojiť iba zospodu. Nakoniec som pomocou univerzálneho lepidla (UHU Hart) prilepil spodnú dosku plošných spojov matice LED k puzdru.

Krok 11: Hotová kocka

Konečne je kocka hotová a môžete si užívať svetelnú šou. Pozrite si video s animovanou kockou.