FoldTronics : création d'objets 3D avec électronique intégrée à l'aide de structures pliables en nid d'abeille : 11 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:08

Dans ce tutoriel, nous présentons FoldTronics, une technique de fabrication basée sur la découpe 2D pour intégrer l'électronique dans des objets pliés en 3D. L'idée clé est de découper et de perforer une feuille 2D à l'aide d'un traceur de découpe pour la rendre pliable en une structure en nid d'abeille 3D; avant le pliage, les utilisateurs placent les composants électroniques et les circuits sur la feuille.

Le processus de fabrication ne prend que quelques minutes, ce qui permet aux utilisateurs de prototyper rapidement des dispositifs interactifs fonctionnels. Les objets résultants sont légers et rigides, permettant ainsi des applications sensibles au poids et à la force. En raison de la nature des nids d'abeilles, les objets créés peuvent être pliés à plat le long d'un axe et peuvent ainsi être transportés efficacement dans ce facteur de forme compact.

En plus d'une machine à découper le papier, vous aurez besoin du matériel suivant:

• Feuille de plastique PET clair/film transparent
• Feuille/feuille adhésive de cuivre
• Feuille adhésive double face
• Ruban adhésif conducteur double face
• Grand ruban ordinaire ou vinyle adhésif

Étape 1: Téléchargez le logiciel FoldTronics

L'outil de conception pour FoldTronics est implémenté dans l'éditeur 3D Rhino3D en tant qu'extension Grasshopper. Grasshopper exporte directement les couches pour la feuille en nid d'abeille, le ruban isolant et l'assemblage montagne/vallée. De plus, pour générer le câblage, nous avons implémenté un plugin ULP dans le logiciel de conception électronique EAGLE, qui exporte la couche de câblage, ce qui rend la pile de couches complète.

Le logiciel de notre outil de conception est disponible sur GitHub:

Vous allez avoir besoin de:

• Le dernier Rhino5 WIP
• Sauterelle
• AIGLE
• Illustrateur
• Studio de silhouettes

Étape 2: Conception de l'appareil à l'aide du logiciel

Pour créer le circuit LED, nous commençons par créer un modèle 3D dans l'éditeur 3D Rhino3D pour lequel nous avons implémenté notre plugin FoldTronics. Après avoir créé la forme de base du modèle 3D, nous le convertissons en une structure en nid d'abeille en appuyant sur le bouton "convertir". Dès que l'algorithme a divisé le modèle en cellules en nid d'abeille, le résultat est affiché dans la vue 3D.

Nous pouvons maintenant faire varier la résolution du nid d'abeilles à l'aide du curseur fourni pour trouver le meilleur compromis entre une résolution plus élevée et un espace suffisant dans les cellules pour loger la LED, la batterie et le connecteur de circuit croisé.

Le curseur de résolution modifie à la fois le nombre de colonnes et le nombre de cellules, car si vous modifiez séparément la résolution des colonnes et des lignes, la forme finale différerait de la forme d'origine.

Pour ajouter la LED, la batterie et le connecteur de circuit croisé, nous les sélectionnons dans la liste des composants du menu et les ajoutons en cliquant sur le bouton respectif. Cela crée automatiquement un modèle 3D d'une boîte représentant la taille du composant électronique sélectionné. Nous pouvons maintenant faire glisser la LED et d'autres composants électroniques vers un emplacement dans le volume 3D. Dans le cas où nous plaçons accidentellement un composant sur un pli ou une cellule non valide, il est automatiquement déplacé vers la cellule valide suivante.

1. Importez un modèle 3D dans Rhinoceros.
2. Exécutez le "Grasshopper" et ouvrez "HoneycombConvert_8.gh".
3. Sélectionnez le modèle dans Rhinoceros et faites un clic droit sur un composant brep et "Définir un brep" sur Grasshopper.
4. Ouvrez le "Panneau de contrôle à distance" de View of Grasshopper.
5. Modifiez la largeur de la cellule à l'aide du curseur.
6. Convertissez le modèle en une structure en nid d'abeille et des données de coupe 2D en cliquant sur "Convertir le nid d'abeilles".
7. Déplacez le composant (couleur bleue) et modifiez la taille en "sélectionnez les composants dans cette liste". (encore en construction)
8. Création des données du composant en cliquant sur "créer des composants".
9. Création des données 2D en cliquant sur "créer des données de coupe".
10. Exportez les lignes de coupe avec les "objets sélectionnés" en tant que fichier AI.

Étape 3: Exporter les calques pour la fabrication

Une fois que nous avons terminé de placer les composants électroniques, nous appuyons sur le bouton "exporter" pour générer les couches à fabriquer. Lors de l'exportation, le plug-in de l'éditeur 3D crée toutes les couches de la pile de fabrication sous forme de fichiers de dessin 2D (format de fichier. DXF) à l'exception de la couche qui contient le câblage, qui sera créée séparément lors d'une étape ultérieure du processus.

Pour générer la couche de câblage manquante, les utilisateurs ouvrent le fichier 2D de la structure en nid d'abeille dans le logiciel de conception électronique EAGLE et exécutent notre plugin personnalisé EAGLE ULP. Le plugin génère une carte de circuit imprimé de la taille du motif en nid d'abeille, puis reconvertit chaque carré coloré en un composant électronique (c'est-à-dire la LED, la batterie et le connecteur de circuit croisé). Avec les composants électroniques déjà sur la feuille, les utilisateurs peuvent maintenant construire le schéma. Enfin, les utilisateurs peuvent utiliser la fonction de câblage automatique d'EAGLE pour créer le circuit complet sur la feuille en finissant la dernière couche manquante pour la fabrication.

** Actuellement, le plugin ULP est en construction. Vous devez mettre les composants manuellement.

Étape 4: Fabrication, assemblage et pliage

Nous pouvons maintenant commencer à ajouter les couches générées ensemble. Pour fabriquer les calques, il suffit de découper le dessin 2D de chaque calque (format de fichier. DXF) dans le bon ordre à l'aide du traceur de découpe.

Étape 5: Découpe et perforation de la feuille de base

Nous insérons d'abord la feuille de base (plastique PET) dans le cutter, la coupons et la perforons pour créer les lignes de montagne, de vallée et de fente ainsi que les marqueurs pour les composants électroniques. Le processus FoldTronics ne perfore la feuille que par le haut et différencie les lignes de montagne et de vallée à l'aide de notations visuelles distinctes (lignes pointillées pour les montagnes et lignes pointillées pour les vallées) car elles nécessitent un pliage ultérieur dans des directions opposées. Alternativement, le processus FoldTronics peut également perforer la feuille des deux côtés, c'est-à-dire perforer les montagnes par le haut et les vallées par le bas, cependant, cela nécessite de réinsérer la feuille dans le traceur de découpe.

Alors que toutes les fentes sont coupées, le contour du nid d'abeilles n'est perforé que pour le maintenir connecté à la feuille principale, ce qui nous permet de traiter davantage la feuille avec le traceur de découpe dans les étapes suivantes. Enfin, les zones où seront soudés les composants électroniques sont également perforées pour permettre de savoir plus facilement quel composant va où.

Pour les objets utilisés dans ce papier, nous utilisons des feuilles de plastique PET, épaisseur 0,1 mm et découpons les feuilles avec un traceur de découpe (modèle: Silhouette Portrait, paramètres de découpe: lame 0,2 mm, vitesse 2 cm/s, force 10, paramètres de perforation: lame 0.2mm, vitesse 2cm/s, force 6).

Étape 6: Placer le câblage avec du ruban de cuivre

Ensuite, nous plaçons une couche de ruban de cuivre unilatéral (épaisseur: 0,07 mm) sur toute la feuille. Nous remettons la feuille dans le traceur de découpe avec le côté cuivre vers le haut, puis exécutons la lime pour découper la forme des fils qui est configurée pour s'assurer de ne pas couper dans la feuille de base (paramètres de coupe: lame 0,2 mm, vitesse 2 cm /s, force 13). Ensuite, nous décollons le ruban de cuivre qui ne fait pas partie du câblage.

Étape 7: Feuille isolante

Afin d'éviter tout court-circuit dû au contact des fils après le pliage de la feuille de base, nous ajoutons ensuite une couche isolante. Pour cela, nous plaçons une couche de ruban non conducteur régulier sur toute la feuille (épaisseur: 0,08 mm). Nous remettons la feuille dans le traceur de découpe, qui enlève le ruban isolant uniquement dans les zones où les extrémités des fils seront connectées à des composants électroniques ou qui utilisent notre nouveau connecteur de circuit croisé. Nous utilisons les paramètres de coupe: lame 0,1 mm, vitesse 2 cm/s, force 4.

Étape 8: Collez les montagnes/vallées à tenir après le pliage

À l'étape suivante, nous appliquons une couche de ruban adhésif double face ordinaire sur la feuille à la fois en bas et en haut. Le ruban adhésif double face est utilisé pour relier les vallées et les montagnes qui maintiennent la structure en nid d'abeille ensemble après le pliage (les montagnes sont collées par le haut des feuilles tandis que les vallées sont collées par le bas). Après avoir inséré la feuille dans le traceur de découpe, le ruban adhésif double face est découpé dans toutes les zones qui ne sont pas censées être scotchées entre elles (réglages de découpe: lame 0,2 mm, vitesse 2 cm/s, force 6). De plus, pour les vallées/montagnes enregistrées qui portent également un connecteur de circuit croisé, le traceur de découpe découpe les zones nécessaires aux connexions électroniques. Après avoir coupé les deux côtés, nous enlevons le ruban adhésif double face restant.

Étape 9: Souder

Dans une dernière étape avant la soudure, nous coupons maintenant le motif en nid d'abeille pour le désolidariser de la tôle. Ensuite, nous soudons les composants électroniques (LED, batterie) sur les fils à l'aide d'un fer à souder. Si les composants sont petits et difficiles à souder, nous pouvons également utiliser de la pâte à souder comme alternative. Comme il est difficile de souder le connecteur de circuit croisé, nous utilisons du ruban conducteur double face pour créer la connexion.

Étape 10: Pliage

Nous plions maintenant le nid d'abeilles ensemble.

Étape 11: Allumez-le

Votre circuit est prêt !