GlassCube - Cubo de LED 4x4x4 em PCBs de vidro: 11 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:35

Meu primeiro instrutível neste site foi um cubo de LED 4x4x4 usando PCBs de vidro. Normalmente, não gosto de fazer o mesmo projeto duas vezes, mas recentemente me deparei com este vídeo do fabricante francês Heliox que me inspirou a fazer uma versão maior do meu cubo original. Em seu vídeo, Heliox apresenta um processo muito mais simples para fabricar PCBs de vidro que não envolve corrosão, mas em vez disso, ela usa um plotter para cortar os traços de uma folha de cobre auto-adesiva que é então transferida para um substrato de vidro. Como os plotters não são tão caros e também podem ser úteis para outros projetos, acabei de comprar um para testar o processo sozinho.

Além de ser uma versão maior do meu cubo original, esta versão também usa um PCB personalizado baseado em um microcontrolador SAMD21 e uma caixa feita de acrílico lasercut. O cubo pode ser programado com o Arduino IDE e também é compatível com CircuitPython.

O kit GlassCube agora também está disponível no Tindie.

Caso tenha adquirido o kit basta soldar os LEDs (passo 5), montar a carcaça (passo 8) e interligar as camadas (passo 9)

Suprimentos

• 64 pcs - WS2812B 5050 SMD LEDs (por exemplo, AliExpress)
• 4 peças - placa de vidro 100 x 100 x 2 mm (encontrei este fornecedor alemão muito barato que cobra apenas 0,20 EUR / un)
• 2 pcs - folhas A4 de folha de cobre auto-adesiva (por exemplo, amazon)
• 1 rolo - papel de transferência de plotadora (por exemplo, amazon)
• 1 conjunto - acrílico lasercut (veja abaixo)
• 1 PCB personalizado (veja abaixo)
• 4 parafusos M2x8 + porcas

O custo total de todos os materiais, incluindo o serviço de corte a laser e fabricação de PCBs é de cerca de 100 EUR.

Ferramentas

• Plotter Silhouette Portrait 2 (por exemplo, amazon)
• cortador a laser ou serviço de corte a laser online (estou usando o snijlab.nl)
• ferro de solda
• placa de aquecimento ou forno de refluxo para solda SMD (ou habilidades avançadas de solda manual

Etapa 1: Projeto CAD

As dimensões da caixa e do PCB do GlassCube foram projetadas no Fusion360, anexei o projeto abaixo.

As colunas laterais e a placa superior são feitas de acrílico transparente com 3 mm de espessura. As camadas com os LEDs são feitas de vidro float com 2 mm de espessura. A placa inferior é um PCB feito sob medida.

Etapa 2: Design de PCB de LED

Usei o Eagle para projetar o layout dos PCBs de vidro. Como cortar os traços com uma plotadora não é tão preciso quanto gravá-los com o método de transferência de toner, a largura mínima do traço é limitada. Tentei diferentes larguras de traço e descobri que 32 mil era o tamanho mínimo que eu poderia usar, pois traços mais finos geralmente descolam durante a plotagem.

Para poder cortar os traços da folha de cobre, o layout da placa teve que ser convertido para dxf. Levei um tempo para descobrir como fazer isso corretamente, então deixe-me passar pelas etapas em detalhes

1. layout de quadro aberto no Eagle
2. ocultar todas as camadas exceto a camada superior
3. clique em Arquivo-> Imprimir e selecione Imprimir em arquivo (pdf)
4. abrir pdf no Inkscape
5. use a ferramenta de seleção de caminho para marcar um único traço e clique em Editar-> Selecionar o mesmo-> Estilo de traço, isso deve marcar todos os traços (mas não os blocos)
6. clique em P ath-> Stroke to Path para converter os contornos do caminho em novos caminhos
7. marque todos os caminhos (incluindo pads) selecionando a ferramenta de seleção de caminho e pressionando ctrl + a
8. clique em P ath-> Union isto deve combinar todos os caminhos e remover quaisquer linhas de corte dentro das áreas "preenchidas"
9. clique em Arquivo-> Salvar como e selecione *.dxf como formato de arquivo

O arquivo dxf pode ser encontrado aqui no meu GitHub.

Etapa 3: corte da folha de cobre

O arquivo dxf foi cortado de folhas A4 de folha de cobre autoadesiva com uma plotadora Silhouette Portrait 2. As folhas de cobre foram primeiro fixadas na esteira de corte autoadesiva incluída. As configurações do software que usei para cortar podem ser vistas na imagem anexa.

Após o corte, o excesso de papel alumínio deve ser removido com cuidado. Para não danificar a folha cortada, deixei toda a folha A4 na esteira de corte para as etapas seguintes.

Etapa 4: transferência da folha de cobre

A folha cortada foi transferida para a placa de vidro usando papel de transferência que é apenas outra folha autoadesiva. O papel de transferência é preso à folha de cobre e, em seguida, é lentamente retirado para que a folha de cobre continue grudada na folha de transferência. Em seguida, ele fica preso ao substrato de vidro e o papel de transferência é lentamente retirado para que, desta vez, a folha de cobre grude na placa de vidro.

O layout da placa tem dois marcadores nos cantos superiores esquerdo e direito que ajudam a alinhar corretamente a folha na placa de vidro. Após a colocação, os marcadores podem ser novamente removidos da placa de vidro.

Etapa 5: Soldar os LEDs

Os LEDs SMD foram soldados na placa de vidro manualmente. Também tentei prendê-los usando uma placa de aquecimento (na verdade meu fogão), mas como a imagem mostra, isso acabou não sendo uma boa ideia. Se você tiver um forno de refluxo adequado, pode valer a pena tentar, mas dependendo do tipo de vidro usado, há um sério risco de quebrar durante o aquecimento.

Quanto à orientação dos LEDs, existem dois layouts diferentes. Para a primeira e terceira camadas do cubo, a orientação será diferente da segunda e quarta camadas. Desta forma, é mais fácil interconectar as camadas posteriormente.

Etapa 6: PCB do microcontrolador

Em vez de depender de uma placa de desenvolvimento comercial como o Arduino Nano, projetei um PCB personalizado no Eagle para controlar os LEDs. A vantagem é que eu poderia moldar a placa para que ela se encaixasse perfeitamente no cubo. A placa é baseada em um microcontrolador ATSAMD21E18 que é o mesmo usado no Trinklet M0 da Adafruit. Selecionei este MCU porque ele tem USB nativo e não requer um chip FTDI para programação. Além disso, a Adafruit fornece bootloaders compatíveis com o IDE do Arduino e também com o CircuitPython.

Uma observação sobre a placa é que ela funciona com lógica de 3,3 V enquanto o WS2812B deve ser usado com 5 V, no entanto, muitas pessoas têm mostrado que a operação com 3,3 V também é possível.

Peguei meus PCBs no PCBWay.com. Os arquivos Gerber e BoM podem ser encontrados na minha conta do GitHub.

Com algumas habilidades, os componentes SMD neste PCB podem ser soldados à mão, embora uma placa de aquecimento ou forno de refluxo funcione melhor.

Etapa 7: Atualizando o Bootloader

Eu usei o bootloader UF2 fornecido pela Adafruit para suas placas Trinket M0. O MCU foi atualizado com a ajuda de uma ferramenta J-Link. Instruções detalhadas sobre como fazer o flash do bootloader podem ser encontradas no site da Adafruit. A grande coisa sobre o bootloader Adafruits UF2-SAMD é que após a primeira instalação, o MCU aparece como uma unidade flash e você pode simplesmente arrastar um arquivo UF2 para a unidade removível para atualizá-lo novamente. Isso torna muito fácil, por exemplo, alternar entre o IDE Arduino e o CircuitPython.

Etapa 8: Alojamento Lasercut

A carcaça do cubo foi cortada em acrílico transparente de 3 mm de espessura. Usei um serviço online de corte a laser (snijlab.nl). Os arquivos dxf correspondentes também podem ser encontrados na minha conta GitHub. A caixa consiste em 4 postes e uma placa superior. Os postes são presos ao PCB principal na parte inferior usando 4 peças de parafusos M2x8 e porcas.

Etapa 9: Conectando as camadas

Depois que o invólucro foi montado, conectei as camadas soldando fios nas almofadas dos PCBs de vidro. Este procedimento revelou-se bastante delicado e existe o risco de queimar o acrílico ou rasgar as almofadas de cobre. Observe que os pinos GND e VCC trocam de posição em cada camada, de modo que os fios devem ser cruzados. Para evitar que os fios rasgassem as pastilhas de cobre, fixei-os com uma pequena gota de cola quente após a soldagem. A primeira camada foi conectada ao PCB inferior com um conector Dupont, mas os fios também podem ser soldados diretamente ao PCB.

Etapa 10: enviando o código

Usei o CircuitPython (versão 4.x) para programar o cubo. Depois de instalar o bootloader CircuitPython, você pode simplesmente executar o código salvando-o diretamente na unidade flash MCU. Não há necessidade de compilar, você também pode, por exemplo, reabra o código e edite-o.

Até agora, acabei de criar algumas animações básicas, mas deve ser relativamente fácil para qualquer pessoa estender o código. O código pode ser encontrado em meu GitHub, para executá-lo é necessário o Adafruit Neopixel e as bibliotecas sofisticadas deLED encontradas aqui.

Etapa 11: cubo acabado

Estou muito feliz com a aparência do cubo, os PCBs de vidro e a caixa de acrílico funcionam muito bem juntos. Também foi divertido criar minha própria placa MCU pela primeira vez e estou quase surpreso que funcionou na primeira tentativa. Como tenho algumas placas de circuito impresso e peças de acrílico, gostaria de disponibilizar este cubo como um kit DIY no Tindie. Portanto, se você estiver interessado, continue procurando ou apenas me escreva uma mensagem particular.

Além disso, se você gostar deste instrutível, vote em mim no Make It Glow Contest.

Vice-campeão no concurso Make it Glow