Ohišje za elektroniko s 3D tiskom: pravila oblikovanja

Tiskano vezje je redko končni izdelek. Potrebuje ohišje, ki ga drži na mestu, ščiti pred prahom in dotikom, omogoča dostop do konektorjev in kaže stanje naprave. Za prototipe in male serije je 3D tisk najhitrejša in najcenejša pot do ohišja po meri, a le, če je model oblikovan z upoštevanjem posebnosti tehnologije. V tem vodiču zberemo pravila, ki jih pri oblikovanju ohišij za elektroniko uporabljamo sami.

Začnite pri tiskanem vezju

Preden narišete prvo steno, potrebujete natančne podatke o vezju:

• obris vezja in položaj montažnih lukenj (iz CAD programa za vezja izvozite STEP model ali vsaj DXF obrisa),
• višino najvišje komponente na obeh straneh,
• položaj in tip konektorjev, stikal, LED diod in anten,
• izvore toplote (regulatorji, MOSFET-i, procesorji) in njihovo moč,
• način montaže ohišja (na mizi, na steni, na DIN letvi).

Najboljši potek je, da 3D model vezja s komponentami uvozite v CAD program in ohišje modelirate okoli njega. Tako takoj vidite trke in lahko preverite izreze, še preden karkoli natisnete.

Debelina stene

Debelina sten določa togost, težo in ceno. Za ohišja elektronike priporočamo:

Stene naj bodo po celotnem ohišju enakomerne. Debele stene ob tankih povzročajo neenakomerno krčenje in zvijanje, poleg tega pa nesorazmerno zvišujejo ceno, saj se material obračuna po volumnu. Če potrebujete togost, dodajte rebra debeline 60 do 70 % stene, ne debelejših sten.

Distančniki in vijačna sedla

Vezje mora biti dvignjeno od dna, da spodnji spoji ne pridejo v stik s steno. Standardni distančniki (standoffs) so visoki 3 do 5 mm in oblikovani kot valji s premerom 6 do 7 mm za vijak M3.

Tri običajne načine pritrditve vezja:

• Samorezni vijak v plastiko. Luknja premera 2,5 mm (MJF, SLA) ali 2,6 do 2,7 mm (FDM) za vijak M3; sedlo naj ima zunanji premer vsaj 6 mm in globino vsaj 6 mm. Primerno za nekaj montaž, ne za pogosto razstavljanje.
• Vtisni vložki z navojem (heat-set inserts). Najboljša rešitev za ponovljivo vijačenje. Za vložek M3 modelirajte luknjo premera 4,0 mm (preverite mero vašega vložka) in globino 1 mm več, kot je dolžina vložka; sedlo naj ima zunanji premer vsaj 2-krat premer vložka. Vložek vtisnete s spajkalnikom pri PLA/ABS/najlonu; pri smoli je oprijem slabši in raje uporabite lepljenje ali matico.
• Ujeta matica. Šesterokotni žep za matico M3 (širina 5,5 mm plus 0,2 mm tolerance) je odličen pri FDM in kovini, kjer vložki niso mogoči.

Sedla naj bodo povezana s steno ohišja z rebrom, ne le z dnom, sicer se ob privijanju odlomijo.

Zaskočni spoji (snap-fit)

Pokrov brez vijakov je elegantna rešitev, a zaskočni spoji zahtevajo material, ki prenese upogib. V praksi:

• Najlon (MJF, SLS) je najboljša izbira: žilav, prenese tisoče ciklov.
• FDM deluje, če je zatič orientiran tako, da poteka vzdolž plasti in ne prečno nanje; sicer se odlomi po nekaj uporabah.
• Standardna smola je za zaskočne spoje prekrhka; izberite prožno smolo ali raje vijake.

Dimenzijsko naj bo zatič dolg vsaj 5-krat svojo debelino, debelina pri korenu 1,5 do 2 mm, prehod v steno zaobljen z radijem vsaj 0,5 mm. Kavelj naj bo visok 0,8 do 1,2 mm, s pobrano stranjo za vstavljanje pod kotom 30 stopinj in bolj strmo stranjo za zadrževanje.

Izrezi za konektorje in tolerance

Najpogostejša napaka pri prvem prototipu je USB vtič, ki ne gre v ohišje. Konektor na vezju ni nikoli povsem tam, kjer je narisan, ohišje pa se pri tisku vedno nekoliko skrči. Zato izreze modelirajte z zračnostjo:

Konektor, ki je globoko v ohišju, potrebuje daljši izrez zaradi ohišja kabla; preverite mere kabla, ki ga bodo uporabljali kupci, ne le tistega na vaši mizi.

LED indikatorji in svetlobni vodniki

Za prikaz stanja imate tri možnosti:

• Luknja z LED diodo skozi steno je najpreprostejša, a zahteva LED na točnem mestu.
• Svetlobni vodnik (light pipe) vodi svetlobo od LED na vezju do površine ohišja. Natisnete ga ločeno iz prozorne smole (SLA): valj premera 2 do 3 mm, ki ga vstavite v luknjo v ohišju. Če je dolžina pod 15 mm in vodnik raven, je izkoristek povsem sprejemljiv.
• Tanka stena. Pri belem najlonu ali beli smoli stena debeline 0,8 do 1,0 mm nad svetlo LED prepušča dovolj svetlobe za diskreten indikator brez luknje.

Prezračevanje in odvajanje toplote

Zaprto plastično ohišje slabo odvaja toploto. Za elektroniko z izgubami nad približno 1 do 2 W upoštevajte:

• Prezračevalne reže na spodnji in zgornji strani, da nastane naravno kroženje zraka. Reže naj bodo široke 1,5 do 2 mm in dolge 10 do 20 mm; ožje reže se pri FDM zalijejo, širše pa prepuščajo prste in tujke.
• Vroče komponente blizu stene in po možnosti termično prevodna podloga med komponento in steno; pri kovinskem ohišju iz aluminija to že pomeni učinkovit hladilnik.
• Material: PLA se pri 55 °C mehča, zato je za karkoli, kar se segreva, boljši najlon (MJF, SLS) ali ABS.
• Ventilator v ohišju potrebuje odprtino z zaščitno rešetko in dovolj velik izhod na nasprotni strani.

Tesnjenje in zaščita IP

Za naprave na prostem ali v vlažnem okolju:

• Ohišje oblikujte z utorom za O-tesnilo ali tesnilno vrvico po obodu pokrova. Utor naj bo širok 1,3-krat in globok 0,75-krat premer tesnila, da se tesnilo stisne za 20 do 30 %.
• Vijaki za pokrov naj bodo razporejeni na razdalji največ 50 mm, da je pritisk enakomeren.
• Kabelske uvodnice (PG7, M12) potrebujejo navojno ali skoznjo luknjo in ravno stično površino s steno.
• Vodotesen model je pogoj: ohišje MJF ali SLA je samo po sebi neprepustno za vodo, FDM del pa zaradi mikroskopskih rež med plastmi ni; za IP zaščito FDM ni primerna izbira.
• Tesnilne površine naj bodo pri SLA orientirane tako, da nanje ne pridejo sledovi podpor.

Orientacija, podpore in kozmetika

Pri SLA in FDM se model tiska s podporami, ki na površini puščajo sledi. Če je vidna zunanja površina pomembna, to označite in ohišje se natisne tako, da so podpore na notranji strani. Pri MJF in SLS podpor ni, a se najbolj gladke površine tvorijo na navzdol obrnjenih ploskvah.

Zaoblite vse zunanje robove z radijem vsaj 0,5 do 1 mm. Zaobljeni robovi so lepši, manj se krušijo in zmanjšajo koncentracijo napetosti.

Kontrolni seznam za ohišje

• Stene enakomerne, znotraj priporočenih vrednosti za tehnologijo.
• Vezje dvignjeno na distančnikih, sedla povezana s steno.
• Izrezi za konektorje z zračnostjo 0,4 do 0,6 mm in upoštevanim ohišjem kabla.
• LED vidne skozi luknjo, vodnik ali tanko steno.
• Prezračevanje, če izgube presegajo nekaj vatov.
• Zaskočni spoji samo v najlonu ali pravilno orientiranem FDM.
• Tesnilo in uvodnice za zunanjo uporabo.
• Pokrov in dno kot ločeni datoteki.

Potrebujete pomoč?

Izdelava ohišja za lastno vezje je natanko tisto, s čimer se ukvarjamo vsak dan. Če imate model, ga naložite v spletno naročilo 3D tiska in v nekaj sekundah dobite ceno v izbrani tehnologiji. Če ohišje šele potrebujete, nam pošljite podatke o vezju in v okviru storitve 3D modeliranje ohišij pripravimo model, ki upošteva vsa zgornja pravila in je pripravljen za tisk.