Come progettare custodie con accoppiamento a scatto stampate in 3D

Se siete designer di prodotto o ingegneri è possibile che, in qualche momento della vostra carriera vi troviate a dover creare una custodia personalizzata. Potrebbe trattarsi di un semplice contenitore per organizzare piccoli oggetti o di un prototipo stampato in 3D completamente funzionante da mostrare ai clienti o da testare prima di passare allo stampaggio a iniezione.

Con un software CAD e una stampante 3D desktop è possibile stampare in 3D custodie personalizzate con accoppiamento a scatto e parti interconnesse in cinque semplici passi.


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1° passaggio: preparazione del design della custodia personalizzata

Misurazione dei componenti elettronici (sinistra). Prima fase del modello 3D con blocchi di base (destra).

Per questo progetto creeremo una custodia per un computer monoscheda Pine 64 (scarica il file STL su Pinshape per seguire i passi). In questo tutorial useremo SolidWorks come software, perché è il più diffuso nel mondo dell’ingegneria e del design di prodotto, ma si possono usare altri software di design 3D simili.

Per prima cosa usiamo un calibro digitale o un righello per misurare i componenti elettronici. Iniziamo il design della custodia con un accurato esercizio di ingegneria inversa sul circuito stampato, misurando la scheda, la posizione dei fori di montaggio e tutte le porte o prese che devono essere accessibili attraverso la custodia. Consigliamo di misurare le dimensioni massime dell’intero oggetto visualizzandolo come una scatola per capire esattamente dove dovranno essere collocati gli elementi principali. In SolidWorks, riproduciamo queste misure come un gruppo di scatole semplici su un unico file.

2° passaggio: la parte inferiore della custodia

In SolidWorks è meglio progettare la custodia come un assemblaggio in cui le due metà vengono modellate separatamente. Cominciando con la base inferiore come nuova parte, la prima decisione importante sarà determinare quanta tolleranza è necessaria tra il perimetro del circuito stampato e la custodia. Ciò dipenderà dal processo di stampa 3D che abbiamo intenzione di usare per le parti. Le stampanti 3D SLA ed SLS sono molto accurate, quindi si può regolare la tolleranza a 0,5 mm senza correre troppi rischi.

Una stampante 3D FDM da banco potrebbe deformare il vostro design e sollevare la piastra di stampa, quindi sarà necessario impostare una tolleranza più alta (1,5-2 mm) per assicurarsi che il circuito stampato potrà essere alloggiato all’interno anche se le pareti sono un po’ distorte.

Leggi la nostra guida approfondita sulle stampanti 3D FDM ed SLA e scopri quali sono le differenze in termini di qualità di stampa, materiali, applicazioni, flusso di lavoro, velocità, costi e molto altro.

Lascia uno spazio tra il perimetro dei tuoi componenti elettronici e la custodia (sinistra). Crea le pareti della parte inferiore della custodia nel modello 3D (destra).

Il primo passo è ritagliare le aperture per le porte. Un errore comune è tagliare via solo la quantità di materiale sufficiente a lasciare esposta la connessione della porta USB o HDMI, senza tenere conto del fatto che molti cavi intorno al connettore maschio possono essere ingombranti e devono avere spazio all’interno della custodia per connettersi alla porta, soprattutto se questa si trova ai bordi del circuito stampato ed è più lontana dalle pareti della custodia. Quindi è meglio essere generosi con le aperture per le porte. Meglio iniziare con 2 mm in più su tutto il perimetro.

Aggiungi aperture e fori estrusi alla parte inferiore per alloggiare le porte.

Come si vede dall’immagine sopra, abbiamo inserito incisioni a estrusione che partono dall’alto e un’apertura per una scheda Micro SD. Il motivo per cui alcune delle aperture partono dall’alto è che le porte sulla scheda sporgono dal bordo del circuito stampato, quindi, per farlo alloggiare bene, dobbiamo lasciare dello spazio. Alcune di queste verranno chiuse dalla parte superiore della custodia, ma un’altra idea potrebbe essere creare una parte inferiore più grande, in modo che tutto il circuito stampato e le porte rimangano all’interno. In questo caso è necessario tener conto del fatto che i cavi di connessione dovranno essere spinti più all’interno della custodia.

3° passaggio: la parte superiore della custodia

In generale, la parte superiore della custodia è complementare alla parte inferiore.

Una volta completata la parte inferiore, la parte superiore è molto più facile. L’immagine sopra mostra gli effetti della linea di divisione sul perimetro tra le due metà. Sulla parte superiore sono stati aggiunti gli stessi dettagli per le aperture per alloggiare le porte più grandi ed è stato aggiunto materiale per chiudere alcuni degli spazi lasciati dalla parte inferiore. Abbiamo anche aggiunto una sezione centrale incavata (opzionale).


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4° passaggio: design della chiusura con accoppiamento a scatto

Con un semplice accoppiamento a sbalzo si può ampliare la quantità di plastica che si inserisce al suo interno e ottenere quindi una chiusura più resistente.

Si possono scegliere diversi design per le componenti dell’accoppiamento a scatto: noi abbiamo scelto un semplice giunto a sbalzo. Nell’immagine sopra si possono osservare i dettagli principali del design della chiusura con accoppiamento a scatto, che è esattamente lo stesso per le due parti (maschio e femmina) della custodia. A seconda dello spazio di lavoro che si ha a disposizione, è possibile ampliare la piccola protrusione che si inserisce all’interno della cavità a scatto per creare una chiusura più resistente. Nel nostro assemblaggio è di soli 1,2 mm, ma per renderla ancora più sicura potrebbe essere di 2 mm o più. In questo design i perni del circuito stampato occupano molto spazio, quindi la chiusura è pensata per essere infilata al suo interno preservando la forza necessaria per mantenere unita la custodia. Il giunto a sbalzo è estruso di 20 mm per conferire ulteriore resistenza.

In questa sezione esplosa si possono vedere i dettagli della chiusura a scatto su entrambi i lati.

Sopra mostriamo una sezione esplosa con i dettagli della chiusura a scatto, il circuito stampato e la posizione dei perni (in nero) che limitano le dimensioni dei giunti a sbalzo. In alternativa, invece di avere una cavità nascosta all’interno della parte inferiore della custodia, questo dettaglio potrebbe essere ritagliato sulla parte esterna, offrendo così la possibilità di avere una chiusura con accoppiamento a scatto più lunga.

Le alette sono piccole estrusioni che si inseriscono all’interno della metà opposta della custodia per tenere insieme le due metà.

Possiamo aggiungere alette al nostro design per tenere insieme le due metà. Le alette sono piccole estrusioni che si inseriscono all’interno della metà opposta della custodia. Visto che abbiamo creato due chiusure con accoppiamento a scatto in entrambi i lati, le alette sono necessarie solo sui lati liberi. In questo caso li abbiamo inseriti sugli angoli. L’estrusione è di soli 3 mm verso il basso, ma è sufficiente per impedire il movimento delle parti interconnesse stampate in 3D.

Questa semplice custodia con accoppiamento a scatto può essere adattata praticamente a qualunque tipo di componente elettronico.

5° passaggio: il tocco finale

Il progetto è completo, ma possiamo aggiungere altri dettagli per dare più vita alla nostra custodia stampata in 3D. In questo design abbiamo estruso il testo del nome Pine 64 e alcuni dettagli, come la posizione della scheda SD. Abbiamo aggiunto il logo Pine 64 come elemento visuale, ma anche per la ventilazione, visto che queste schede si possono surriscaldare. Inoltre, questi dettagli aiutano a ridurre la quantità di materiale utilizzato per la stampa 3D. Infine, i dettagli inseriti sui giunti della chiusura con accoppiamento a scatto indicano dove premere con le dita per aprire la custodia.

Il design finale, oltre alla chiusura con accoppiamento a scatto, presenta adesso dei particolari unici ed è pronto per essere stampato in 3D.

Stampa in 3D della custodia con la stereolitografia

La stampa 3D SLA offre un’ampia varietà di materiali ingegneristici per creare parti stampate in 3D e prototipi accurati consentendo di ridurre i costi, eseguire iterazioni in modo più rapido e creare una migliore esperienza per l'utente.

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