GlassCube - Cub LED 4x4x4 pe PCB-uri din sticlă: 11 pași (cu imagini)

2025 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2025-01-23 15:04

Primul meu instructabil vreodată pe acest site a fost un 4x4x4 LED Cube folosind PCB-uri din sticlă. În mod normal, nu-mi place să fac același proiect de două ori, dar recent am dat peste acest videoclip al producătorului francez Heliox care m-a inspirat să fac o versiune mai mare a cubului meu original. În videoclipul ei, Heliox vine cu un proces mult mai simplu de fabricare a PCB-urilor din sticlă care nu implică gravare, dar în schimb folosește un plotter pentru a tăia urmele dintr-o folie de cupru autoadezivă care este apoi transferată pe un substrat de sticlă. Deoarece comploterii nu sunt atât de scumpi și ar putea fi de folos și pentru alte proiecte, tocmai am primit unul care să încerce procesul pentru mine.

În afară de a fi o versiune mai mare a cubului meu original, această versiune folosește și un PCB personalizat bazat pe un microcontroler SAMD21 și o carcasă din acril lasercut. Cubul poate fi programat cu Arduino IDE și este, de asemenea, compatibil cu CircuitPython.

Kitul GlassCube este acum disponibil și pe Tindie.

În cazul în care ați achiziționat kitul, trebuie doar să lipiți LED-urile (pasul 5), asamblați carcasa (pasul 8) și interconectați straturile (pasul 9)

Provizii

• 64 buc - LED-uri SMD WS2812B 5050 (de ex. Aliexpress)
• 4 bucăți - placă de sticlă 100 x 100 x 2 mm (am găsit acest furnizor german foarte ieftin, care percepe doar 0,20 EUR / buc)
• 2 buc - foi A4 de folie de cupru autoadezivă (de ex. Amazon)
• 1 rolă - hârtie de transfer a plotterului (de exemplu, Amazon)
• 1 set - acrilic lasercut (vezi mai jos)
• 1 PCB personalizat (vezi mai jos)
• 4 buc M2x8 șuruburi + piulițe

Costurile totale ale tuturor materialelor, inclusiv serviciul lasercut și fabricarea PCB sunt de aproximativ 100 EUR.

Instrumente

• Plotter Silhouette Portrait 2 (de exemplu, Amazon)
• tăietor cu laser sau serviciu lasercut online (folosesc snijlab.nl)
• ciocan de lipit
• placă de încălzire sau cuptor de reflow pentru lipire SMD (sau abilități avansate de lipire manuală)

Pasul 1: Proiectare CAD

Dimensiunile carcasei și PCB ale GlassCube au fost proiectate în Fusion360, am atașat designul de mai jos.

Coloanele de margine și placa superioară sunt realizate din acrilic transparent de 3 mm grosime. Straturile cu LED-uri sunt realizate din sticlă float cu grosimea de 2 mm. Placa de jos este un PCB personalizat.

Pasul 2: Proiectare PCB LED

Am folosit Eagle pentru a proiecta aspectul PCB-urilor din sticlă. Deoarece tăierea urmelor cu un plotter nu este la fel de precisă ca gravarea lor cu metoda de transfer a tonerului, lățimea minimă a urmelor este limitată. Am încercat diferite lățimi de urmărire și am constatat că 32 mil au fost dimensiunea minimă pe care o puteam folosi, deoarece urmele mai subțiri se desprinde adesea în timpul complotării.

Pentru a putea tăia urmele din folia de cupru, aspectul plăcii a trebuit convertit în dxf. Mi-a luat ceva timp să-mi dau seama cum să fac acest lucru corect, așa că lasă-mă să parcurg în detaliu pașii

1. aspectul planșei deschise în Eagle
2. ascundeți toate straturile, cu excepția stratului superior
3. faceți clic pe File-> Print apoi selectați Print to File (pdf)
4. deschideți pdf în Inkscape
5. utilizați instrumentul de slecere a căii pentru a marca o singură urmă, apoi faceți clic pe E dit-> Selectați același-> Stil de cursă, aceasta ar trebui să marcheze toate urmele (dar nu și tampoanele)
6. faceți clic pe P ath-> Stroke to Path, transformă contururile căii în căi noi
7. marcați toate căile (inclusiv tampoanele) selectând instrumentul de selectare a căii și apoi apăsând ctrl + a
8. faceți clic pe P ath-> Unire, aceasta ar trebui să combine toate căile și să elimine orice linii de tăiere din interiorul zonelor „umplute”
9. faceți clic pe Fișier-> Salvare ca și selectați *.dxf ca format de fișier

Fișierul dxf poate fi găsit aici pe GitHub.

Pasul 3: Tăierea foliei de cupru

Fișierul dxf a fost tăiat din foi A4 de folie de cupru autoadezivă cu un plotter Silhouette Portrait 2. Foile de cupru au fost atașate mai întâi la covorul de tăiere autoadeziv inclus. Setările software pe care le-am folosit pentru tăiere pot fi văzute în imaginea atașată.

După tăiere, excesul de folie trebuie îndepărtat cu atenție. Pentru a nu deteriora folia tăiată am lăsat întreaga foaie A4 pe covorul de tăiere pentru pașii următori.

Pasul 4: Transferul foliei de cupru

Folia tăiată a fost transferată pe placa de sticlă folosind hârtie de transfer care este doar o altă folie autoadezivă. Hârtia de transfer este atașată pe folia de cupru și apoi se desprinde încet, astfel încât folia de cupru să rămână lipită de foaia de transfer. Apoi se atașează de substratul de sticlă și hârtia de transfer este îndepărtată încet, astfel încât de data aceasta folia de cupru să se lipească pe placa de sticlă.

Dispunerea plăcii are două marcaje în colțurile din stânga sus și din dreapta, care ajută la alinierea corectă a foliei pe placa de sticlă. După fixare, markerele pot fi din nou scoase de pe placa de sticlă.

Pasul 5: lipirea LED-urilor

LED-urile SMD au fost lipite manual pe placa de sticlă. De asemenea, am încercat să le atașez folosind o placă de încălzire (de fapt aragazul meu), dar așa cum arată imaginea, s-a dovedit că nu este o idee bună. Dacă aveți un cuptor de reflux adecvat, ar merita să încercați, dar în funcție de tipul de sticlă utilizat există un risc serios ca acesta să se rupă în timpul încălzirii.

În ceea ce privește orientarea LED-urilor, există două aspecte diferite. Pentru primul și al treilea strat al cubului, orientarea va fi diferită de cea pentru al doilea și al patrulea strat. În acest fel, este mai ușor să interconectați straturile ulterior.

Pasul 6: PCB cu microcontroler

În loc să mă bazez pe o placă de dezvoltare comercială precum Arduino Nano, am proiectat un PCB personalizat în Eagle pentru controlul LED-urilor. Avantajul este că aș putea modela placa astfel încât să se potrivească frumos în cub. Placa se bazează pe un microcontroler ATSAMD21E18 care este același care este utilizat în Trinklet M0 de la Adafruit. Am selectat acest MCU deoarece are USB nativ și nu necesită un cip FTDI pentru programare. De asemenea, Adafruit oferă bootloadere care sunt compatibile cu Arduino IDE, precum și cu CircuitPython.

O notă despre placa este că funcționează cu logică de 3,3V, în timp ce WS2812B ar trebui să fie utilizat cu 5V, cu toate acestea, mulți oameni au arătat că este posibilă și operarea cu 3,3V.

Am primit PCB-urile mele de la PCBWay.com, Gerber Files și BoM pot fi găsite pe contul meu GitHub.

Cu unele abilități, componentele SMD de pe acest PCB pot fi lipite manual, deși o placă de încălzire sau un cuptor de reflow vor funcționa bineînțeles.

Pasul 7: intermitent bootloader

Am folosit bootloader-ul UF2 furnizat de Adafruit pentru plăcile lor Trinket M0. MCU a fost intermitent cu ajutorul unui instrument J-Link. Instrucțiuni detaliate despre cum să blocheze bootloaderul pot fi găsite pe site-ul web Adafruit. Lucrul grozav despre încărcătorul de boot Adafruits UF2-SAMD este că, după prima instalare, MCU apare ca o unitate flash și puteți trage doar un fișier UF2 pe unitatea amovibilă pentru a-l bloca din nou. Acest lucru face foarte ușor de ex. comutați între Arduino IDE și CircuitPython.

Pasul 8: Locuința Lasercut

Carcasa cubului a fost tăiată din acrilic transparent de 3 mm grosime. Am folosit un serviciu de tăiere cu laser online (snijlab.nl). Fișierele dxf corespunzătoare pot fi găsite și în contul meu GitHub. Carcasa este formată din 4 stâlpi și o placă superioară. Stâlpii sunt atașați la placa principală din partea de jos folosind 4 bucăți de șuruburi și piulițe M2x8.

Pasul 9: Conectarea straturilor

După ce carcasa a fost asamblată, am conectat straturile prin lipirea firelor pe tampoanele de pe plăcile de sticlă. Acest lucru sa dovedit a fi o procedură destul de delicată și există riscul de a arde acrilicul sau de a rupe tampoanele de cupru. Rețineți că pinii GND și VCC comută pozițiile pe fiecare strat, astfel încât firele trebuie să fie încrucișate. Pentru a evita ca firele să se rupă de plăcuțele de cupru, le-am fixat cu o mică picătură de adeziv fierbinte după lipire. Primul strat a fost conectat la PCB-ul inferior cu un conector Dupont, dar firele pot fi lipite și direct la PCB.

Pasul 10: Încărcarea codului

Am folosit CircuitPython (versiunea 4.x) pentru a programa cubul. Odată ce ați instalat încărcătorul de boot CircuitPython, puteți rula codul salvându-l direct pe unitatea flash MCU. Nu este necesară compilarea, de asemenea, puteți, de ex. redeschideți codul și editați-l.

Până acum tocmai am creat câteva animații de bază, dar ar trebui să fie relativ ușor pentru oricine să extindă codul. Codul poate fi găsit pe GitHub, pentru a-l rula are nevoie de bibliotecile Adafruit Neopixel și fancyLED găsite aici.

Pasul 11: Cub terminat

Sunt destul de mulțumit de aspectul cubului, PCB-urile din sticlă și carcasa acrilică funcționează frumos împreună. De asemenea, a fost distractiv să îmi creez propria placă MCU pentru prima dată și sunt aproape surprins că a funcționat la prima încercare. Deoarece am câteva PCB-uri de schimb și piese acrilice, aș dori să fac acest cub disponibil ca kit DIY pe Tindie. Deci, dacă sunteți interesat, continuați să căutați sau să-mi scrieți un mesaj privat.

De asemenea, dacă vă place acest lucru instructiv, vă rugăm să votați pentru mine în concursul Make It Glow.

Locul doi în concursul Make it Glow