3D digitální písek: 11 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:23

Tento projekt je jakýmsi pokračováním mé DotStar LED Cube, kde jsem použil SMD LED připevněné na skleněné PCB. Krátce po dokončení tohoto projektu jsem narazil na animovaný LED písek od společnosti Adafruit, který pomocí akcelerometru a LED matice simuluje pohyb zrn písku. Řekl jsem si, že by bylo hezké rozšířit tento projekt do třetí dimenze pouhým vybudováním větší verze mé LED kostky spárované s akcelerometrem. Také jsem chtěl vyzkoušet odlití kostky do epoxidové pryskyřice.

Pokud chcete vidět kostku v akci, přejděte úplně dolů k videu.

Krok 1: Kusovník

Následující seznam obsahuje materiály potřebné ke konstrukci krychle, jak je znázorněno na obrázku

• 144 ks SK6805-2427 LED (např. Aliexpress)
• mikroskopická sklíčka (např. amazon.de)
• měděná páska (0,035 x 30 mm) (např. ebay.de)
• Základní sada TinyDuino - lithiová verze
• modul akcelerometru (např. ASD2511-R-A TinyShield nebo GY-521)
• prototyp DPS (30 x 70 mm) (např. amazon.de)
• čirá licí pryskyřice (např. conrad.de nebo amazon.de)
• 3D tištěné pouzdro

Další materiály a nástroje potřebné pro stavbu

• Horkovzdušná páječka
• normální páječka s jemným hrotem
• 3D tiskárna
• laserová tiskárna
• Dupont konektory
• tenký drát
• Kolíkové konektory desky plošných spojů
• nízkoteplotní pájecí pasta
• Leptadlo PCB (např. Chlorid železitý)
• UV vytvrzující lepidlo na kovové sklo (např. NO61)
• univerzální lepidlo (např. UHU Hart)
• silikonový tmel
• papír pro přenos toneru
• aceton

Krok 2: Výroba skleněných desek plošných spojů

Tento proces je již podrobně popsán v mém předchozím pokynu k mé DotStar LED Cube, proto si jen krátce projdu kroky.

1. Sklíčka mikrosope nakrájejte na kousky o délce 50,8 mm. Nechal jsem si 3D vytisknout přípravek, který mi pomůže dosáhnout správné délky (viz přiložený soubor.stl). Budete potřebovat 4 diapozitivy, které doporučuji na výrobu 6 až 8 kusů.
2. Na skleněný substrát přilepte měděnou fólii. Použil jsem lepidlo NO vytvrzující UV zářením.
3. Přiložený pdf vytiskněte s návrhem desky plošných spojů na laserový přenosový papír pomocí laserové tiskárny. Poté nakrájejte jednotlivé kousky.
4. Přeneste design DPS na měděný plášť. K tomuto účelu jsem použil laminátor.
5. Odleptejte měď např. chlorid železitý
6. Odstraňte toner pomocí acetonu

Krok 3: Pájecí LED diody

Ve své LED kostce DotStar jsem použil LED APA102-2020 a v plánu bylo použít stejný typ LED v tomto projektu. Vzhledem k malé vzdálenosti mezi jednotlivými podložkami LED je však velmi snadné vytvořit pájecí můstky. To mě donutilo pájet každou jednotlivou LED ručně a ve skutečnosti jsem na tomto projektu udělal to samé. Bohužel, když jsem měl projekt téměř hotový, najednou se začaly objevovat nějaké pájecí můstky nebo špatné kontakty, což mě donutilo vše znovu rozebrat. Poté jsem se rozhodl přejít na o něco větší LED diody SK6805-2427, které mají jiné rozložení podložek, díky čemuž je lze mnohem snadněji pájet.

Všechny podložky jsem pokryl pájecí pastou s nízkou teplotou tání a poté umístil LED diody nahoře. Dbejte na správnou orientaci LED diod podle přiloženého schématu. Poté jsem desku plošných spojů položil na plotýnku v naší kuchyni a opatrně ji zahříval, dokud se pájka nerozpustila. To fungovalo dobře a já jsem musel s teplovzdušnou páječkou jen málo přepracovávat. K testování LED matice jsem použil Arduino Nano se spuštěným příkladem Strandtest Adafruit NeoPixel a připojil jsem ji k matici pomocí Dupontových vodičů.

Krok 4: Připravte spodní PCB

Na spodní desku plošných spojů jsem nařezal kus 30 x 30 mm z prototypové desky. Poté jsem k němu připájel několik kolíkových konektorů, kde budou následně připojeny skleněné desky plošných spojů. Piny VCC a GND byly spojeny pomocí malého kousku postříbřeného měděného drátu. Poté jsem všechny zbývající průchozí otvory utěsnil pájkou, protože jinak by epoxidová pryskyřice během procesu odlévání prosakovala.

Krok 5: Připojte skleněné desky plošných spojů

K připevnění LED matic na spodní desku plošných spojů jsem opět použil lepidlo vytvrzující UV zářením, ale s vyšší viskozitou (NO68). Pro správné zarovnání jsem použil 3D tištěný přípravek (viz přiložený soubor.stl). Po lepení byly desky plošných spojů stále trochu kroutivé, ale po připájení ke kolíkovým hlavičkám se staly tuhšími. K tomu jsem použil svou normální páječku a běžnou pájku. Opět je dobré otestovat každou matici po pájení. Spojení mezi Din a Dout jednotlivých matic bylo provedeno pomocí vodičů Dupont připojených ke konektorům pinů na spodní straně.

Krok 6: Sestavte elektroniku

Protože jsem chtěl zmenšit rozměry pouzdra na co nejmenší, nechtěl jsem používat běžné Arduino Nano nebo Micro. Tato 1/2 LED kostka od jednoho 49. mě upozornila na desky TinyDuino, které se mi zdály pro tento projekt ideální. Dostal jsem základní sadu, která obsahuje procesorovou desku, USB štít pro programování, proto desku pro externí připojení a také malá dobíjecí baterie LiPo. Zpětně jsem měl také koupit 3osý štít akcelerometru, který nabízejí, místo použití modulu GY-521, který jsem měl stále kolem. Tím by byl obvod ještě kompaktnější a zmenšil by potřebné rozměry Schéma pro toto sestavení je celkem snadné a je připojeno níže. Udělal jsem nějakou úpravu na desce procesoru TinyDuino, kde jsem po baterii přidal externí přepínač. Deska procesoru již má přepínač, ale byl jen krátký na Propojení s protokolovou deskou a modulem GY-521 se provádí pomocí konektorů, které neumožňují nejkompaktnější design, ale nabízejí větší flexibilitu než přímé pájení vodičů. Délka vodičů/kolíků ve spodní části desky proto by měla být co nejkratší, jinak ji již nemůžete připojit k horní části desky procesoru.

Krok 7: Nahrajte kód

Po sestavení elektroniky můžete nahrát přiložený kód a vyzkoušet, zda vše funguje. Kód obsahuje následující animace, které lze iterovat potřesením akcelerometru.

• Rainbow: Rainbow animace z knihovny FastLED
• Digital Sand: Jedná se o rozšíření animovaného LED pískového kódu Adafruits do tří dimenzí. Pixely LED se budou pohybovat podle hodnot naměřených na akcelerometru.
• Déšť: Pixely padající shora dolů podle náklonu měřeného akcelerometrem
• Konfety: Náhodně barevné skvrny, které blikají a plynule mizí z knihovny FastLED

Krok 8: Casting

Nyní je čas vrhnout LED matici do pryskyřice. Jak naznačuje komentář v mém předchozím sestavení, bylo by hezké, kdyby se indexy lomu resinf a skla shodovaly tak, že by sklo bylo neviditelné. Soudě podle indexů lomu obou složek pryskyřice jsem si myslel, že by to mohlo být možné mírným změněním směšovacího poměru obou. Po nějakém testu jsem však zjistil, že jsem nebyl schopen znatelně změnit index lomu, aniž bych zničil tvrdost pryskyřice. To není tak špatné, protože sklo je viditelné jen nepatrně a nakonec jsem se rozhodl povrch pryskyřice zdrsnit. Bylo také důležité najít vhodný materiál, který by mohl být použit jako forma. Četl jsem o potížích s odstraněním formy po odlití v podobných projektech, jako je pryskyřičková kostka lonesoulsurfera. Po několika neúspěšných pokusech jsem zjistil, že nejlepším způsobem je nechat si 3D formu vytisknout a poté potáhnout silikonovým tmelem. Právě jsem vytiskl jednu vrstvu krabice 30 x 30 x 60 mm pomocí nastavení "spiralize vnější obrys" v Cura (připojený soubor.stl). Potažením tenké vrstvy silikonu na vnitřní straně se forma velmi snadno vyjme. Forma byla připevněna ke spodnímu DPS také pomocí silikonového těsnicího prostředku. Ujistěte se, že nejsou žádné otvory, protože pryskyřice bude prosakovat a také se v pryskyřici vytvoří vzduchové bubliny. Bohužel jsem zaznamenal malý únik, který, myslím, je zodpovědný za malé vzduchové bubliny, které se vytvořily poblíž stěny formy.

Krok 9: Leštění

Po vyjmutí formy můžete vidět, že kostka vypadá velmi jasně díky hladkému povrchu formy potaženému silikonem. V důsledku rozdílů v tloušťce silikonové vrstvy však došlo k určitým nesrovnalostem. Také horní povrch byl kvůli adhezi deformován směrem k okrajům. Proto jsem tvar vylepšil mokrým broušením pomocí brusného papíru o zrnitosti 240. Původně jsem měl v plánu všechno zrusit přechodem na stále jemnější zrna, ale nakonec jsem se rozhodl, že kostka vypadá lépe se zdrsněným povrchem, takže jsem skončil se zrnitostí 600.

Krok 10: Namontujte do pouzdra

Pouzdro pro elektroniku bylo navrženo s Autodesk Fusion 360 a poté vytištěno 3D. Přidal jsem obdélníkový otvor ve zdi pro vypínač a některé otvory vzadu pro upevnění modulu GY-521 pomocí šroubů M3. Deska procesoru TinyDuino byla připevněna ke spodní desce, která byla poté připevněna k pouzdru pomocí šroubů M2.2. Nejprve jsem pomocí horkého lepidla namontoval spínač do pouzdra, poté byl namontován modul GY-521 a poté byly opatrně vloženy protoboard a baterie. LED matice byla připevněna k proto desce pomocí konektorů Dupont a procesorovou desku lze jen zapojit zespodu. Nakonec jsem pomocí univerzálního lepidla (UHU Hart) přilepil spodní desku LED matice k pouzdru.

Krok 11: Hotová kostka

Nakonec je kostka hotová a můžete si užít světelnou show. Podívejte se na video animované kostky.