Merancang PCB dan Enclosure Laser Cut Prototipe Pertama

Mengambil desain dari konsep ke produksi bukanlah prestasi kecil, tetapi perencanaan yang cermat dan penggunaan yang tepat dari metode konstruksi prototipe dapat sangat mempercepat ide apa pun. Dalam seri ini, kami akan mengembangkan dan membuat prototipe sensor suhu dan kelembaban Wi-Fi IoT sederhana menggunakan PCB dan bagian yang dipotong laser.

Membangun Produk Elektronik yang Dapat Dilakukan Melalui Prototyping

Mengembangkan produk atau proyek dari konsep awal membutuhkan berbagai tahap pengembangan, pembuatan prototipe, dan pengujian. Langkah pertama, tahap alfa, umumnya menggunakan suku cadang, modul, dan metode konstruksi prototipe cepat seperti printer 3D desktop. Tahap ini menegaskan fungsionalitas desain serta membantu menentukan bagaimana produk akhir mungkin terlihat, tetapi jarang menghasilkan desain akhir.

Tahap sekunder/beta menciptakan produk yang sebagian besar menyerupai hasil akhir; namun, ini masih tahap pembuatan prototipe dengan banyak variasi yang dikembangkan sebelum desain diselesaikan. Variasi seperti itu sering terjadi sebagai akibat dari masalah tak terduga dengan desain, termasuk ventilasi, pembuangan panas, bagian mekanis yang salah perhitungan, kinerja yang buruk, dan peningkatan umum.

Dalam seri empat bagian ini, kami akan membawa perangkat IoT sederhana dari tahap alfa ke tahap produksi beta dan awal dengan bantuan layanan Ponoko dan PCBWay. Sementara perangkat yang dirancang dalam artikel ini tidak dimaksudkan untuk rilis komersial, langkah-langkah yang kita temui, pilihan komponen, dan metode untuk membuat prototipe penutup dan bagian khusus akan identik dengan yang dihadapi selama pengembangan produk elektronik komersial.

Menggunakan Ponoko Dan PCBWay

Sebelum memulai, mari perkenalkan dua mitra produksi yang digunakan untuk proyek ini: Ponoko dan PCBWay.

Ponoko adalah layanan pembuatan prototipe dan produksi sesuai permintaan yang menawarkan pemotongan, pengukiran, dan pembengkokan laser lembaran pada berbagai 200+ bahan termasuk baja, kuningan, plastik, kayu, silikon, dan busa. Fasilitas Bay Area US mereka dirancang khusus untuk pelanggan dengan pesanan yang lebih kecil (sedikitnya satu bagian), menawarkan penawaran dan pengiriman di hari yang sama. Pesanan yang lebih besar (hingga 10.000 suku cadang) ditangani oleh fasilitas Bay Area China mereka, yang menawarkan diskon volume hingga 93%, menjadikannya ideal untuk tahap selanjutnya dari proyek beta dan tahap awal produksi.

Jasa laser cutting Ponoko dapat digunakan pada part besar berukuran hingga 790 x 384 mm maupun pada part kecil berukuran hanya 6 x 6 mm menggunakan material dengan ketebalan antara 0,1 – 19,1 mm dan membutuhkan ketelitian dimensi ±0,13 mm untuk material organik lembaran dan ±0,XX mm untuk bahan logam.

Baca selengkapnya – Layanan Ponoko

PCBWay adalah layanan produksi dan perakitan PCB untuk pasar pembuat dan profesional. Berbasis di China, PCBWay memproduksi PCB berlapis-lapis, memotong PCB menjadi bentuk apa pun, memproduksi PCB individual dan menyediakan teknik manufaktur canggih termasuk PCB fleksibel. Dengan layanan yang lebih baru, perakitan PCB, suku cadang sumber PCBWay, pembelian dan kemudian perakitan PCB yang mereka buat. Layanan ini sangat ideal untuk desain modern yang bergantung pada komponen SMD kecil.

Baca selengkapnya – Layanan PCBWay

Merancang Perangkat IoT Untuk Mengukur Suhu, Kelembaban, dan Tekanan Udara

Inti dari perangkat IoT sederhana kami adalah modul Wi-Fi ESP32, yang disediakan oleh PCBWay. Ia menawarkan konektivitas nirkabel, memiliki banyak pin I/O dan dilengkapi dengan pelindung RF untuk membantu meningkatkan kinerja EMC-nya.

Selain itu, kemampuan sensor disediakan oleh dua perangkat: DHT11 dan BMP20. DHT11 adalah perangkat satu kabel yang hanya membutuhkan satu GPIO pada ESP32, membuat koneksi menjadi sangat mudah. BMP20 adalah perangkat SPI yang membutuhkan empat GPIO. Karena ukuran fisik BMP20 sangat kecil, layanan perakitan PCB adalah satu-satunya metode yang dapat diandalkan untuk menyoldernya.

Baca selengkapnya – Layanan Perakitan PCBWay

Untuk menjaga agar sirkuit tetap sederhana, kami tidak mengintegrasikan baterai untuk operasi jarak jauh; kami akan menggunakan konektor micro USB untuk menyediakan daya. Konektor ini memungkinkan kita untuk memprogram ESP32 dengan bantuan CH340 USB to UART converter. Informasi tentang kondisi lingkungan akan ditampilkan pada tampilan segmen 3×7, dan beberapa LED SMD akan memberikan informasi tentang unit saat ini (°C atau °F) dan status Wi-Fi.

Dibangun dari bagian potong laser yang disediakan oleh Ponoko, enklosur akan menampilkan pembacaan arus dari elektronik serta menyediakan akses ke tombol dan konektor apa pun. Karena produk pada akhirnya menjadi perangkat komersial, kami juga akan mempertimbangkan estetika keseluruhannya, betapa mudahnya membangunnya, dan dimensi fisiknya.

Baca selengkapnya – Membuat bagian potong laser dari berbagai perangkat lunak CAD

Langkah terakhir dalam proses pengembangan enklosur adalah memilih metode produksi untuk produksi skala besar. Metode tersebut termasuk cetakan injeksi plastik, penutup rak dan perakitan panel.

Membuat Elektronik Untuk PCBWay

Skema KiCad

Skema untuk perangkat IoT ini sangat sederhana dan memanfaatkan bentuk modular ESP32. Daya disediakan melalui koneksi USB mikro yang diatur dari 5V ke 3.3V menggunakan AMS1117 (U2), dan sirkuit daya ini juga mengintegrasikan dioda khusus (D2) untuk melindungi dari lonjakan tegangan di sisi ESP32.

Layar menampilkan tiga, tampilan tujuh segmen yang menggunakan transistor (Q1, Q2, Q3) untuk mengontrol tampilan mana yang menyala setiap saat. Dengan menelusuri setiap layar dengan kecepatan tinggi, kita dapat menghubungkan semua layar ke pin I/O yang sama dan menggerakkan setiap layar satu per satu.

Sambungan antara ESP32 dan USB dijembatani menggunakan konverter USB ke UART CH340. Hal ini memungkinkan komputer yang terhubung untuk memprogram ESP32 tanpa perlu mengakses chip flash secara langsung di dalam modul ESP32. Komponen lainnya (ESP32, DHT11 dan BMP20) tidak memiliki persyaratan khusus dan disambungkan sesuai kebutuhan.

PCB Way PCB

PCB adalah tempat desain menjadi menarik, karena ini akan menentukan desain enklosur. Meskipun enklosur itu sendiri memengaruhi tata letak PCB, PCB-lah yang menentukan dimensi dan posisi fitur di enklosur.

Tata letak PCB potensial pertama menempatkan semua komponen pada satu PCB dengan bagian interaktif di sebelah kiri dan bagian komputasi di sebelah kanan. Meskipun desain ini sangat praktis, namun secara estetika tidak menyenangkan, karena panel depan dari desain tersebut kosong pada salah satu bagiannya.

Desain potensial lainnya memisahkan bagian komputasi dari bagian interaktif menjadi dua PCB terpisah. Header yang terpasang pada bagian tampilan menghubungkannya ke papan komputasi dan memungkinkan perangkat yang jauh lebih kecil yang menghilangkan ruang mati di panel depan.

Namun, desain ini secara signifikan meningkatkan ketebalan desain keseluruhan. Selain itu, penggunaan PCB tambahan meningkatkan biaya sementara juga membutuhkan desain penutup yang lebih kompleks. Jika tampilan tujuh segmen diganti dengan varietas SMD, maka komponen dapat disolder ke kedua sisi PCB—tetapi ini sangat sulit dicapai.

Secara keseluruhan, kami akan menggunakan desain kedua yang menampilkan banyak lapisan. Ini adalah desain yang jauh lebih rapi yang tidak hanya menggunakan selungkup yang lebih kecil (meskipun kedalamannya meningkat) tetapi juga sebagian modular, memungkinkan perubahan dilakukan tanpa perlu mengganti seluruh desain.

Pemotongan Laser Dengan Ponoko

Memilih Bahan

Karena kami menggunakan layanan pemotongan laser Ponoko untuk membuat enklosur, produksi model 3D tidak diperlukan. Pemotong laser menghasilkan bagian 2D yang memiliki ketebalan tertentu; oleh karena itu, kami dapat mendesain enklosur kami sebagai rangkaian bagian 2D yang cocok bersama untuk membuat enklosur 3D tunggal.

Sebelum mendesain enklosur, pertama-tama kita harus memilih bahan yang cocok. Di sinilah faktor lingkungan menjadi penting karena beberapa lingkungan (seperti air laut dan produksi bahan kimia) dapat merusak selungkup. Karena perangkat kami adalah sensor lingkungan sederhana yang dapat mengalami perubahan suhu dan kelembaban yang luas, kami akan menggunakan bahan plastik seperti akrilik.

Baca selengkapnya – Bahan Ponoko

Menentukan Metode Konstruksi

Saat membuat desain, ada beberapa metode konstruksi, termasuk desain berlapis, metode kotak, dan penutup yang dibuat sebelumnya dengan panel potong laser.

Metode lapisan melibatkan penyambungan selungkup menjadi berbagai lapisan yang ditempatkan di atas satu sama lain (mirip dengan pencetakan 3D). Namun, setiap lapisan dalam desain kami bisa tebal (hingga 10 mm), dan lapisan ini dapat ditumpuk menggunakan pin pemandu sebelum disekrup. Meskipun metode ini menggunakan banyak lapisan untuk membuat rongga agar PCB muat di dalamnya, metode ini bisa menjadi yang paling estetis.

Metode kotak adalah metode yang lebih praktis yang sangat umum dalam proyek pembuat. Sederhananya, kotak dapat diledakkan ke wajah masing-masing dengan pola seperti jigsaw yang ditambahkan ke tepinya. Bagian-bagian individu ini kemudian direkatkan sehingga gigi jigsaw terkunci pada tempatnya. Meskipun ini praktis untuk kotak besar, penutup kecil bisa jadi sulit untuk disatukan. Metode ini juga jauh dari desain komersial praktis, yang berarti bahwa prototipe akhir perlu menggunakan metode konstruksi yang berbeda.

Metode kotak pra-dibuat hanya menggunakan kotak proyek atau selungkup yang umum tersedia di pasaran sementara pelat muka diganti dengan desain potong laser. Metode desain ini adalah pilihan cepat untuk membuat produk dan terkadang bisa menjadi produk akhir (karena penutup tersebut tersedia dalam jumlah besar). Namun, desain seperti itu jauh dari profesional dan dapat membuat produk terlihat kurang berkembang.

Menyelesaikan Desain

Desain kami menggunakan metode lapisan, karena ini menciptakan desain ringkas yang terlihat mirip dengan desain akhir. Keuntungan lain dari desain lapisan adalah kita dapat menggunakan bahan yang berbeda pada lapisan yang berbeda; dalam kasus proyek ini, kita dapat membuat panel depan dari aluminium untuk permukaan akhir metalik (mirip dengan produk Apple) dengan dukungan plastik.

Karena desain potong laser adalah 2D, kami dapat dengan mudah mendesain enklosur kami di alat pengembangan PCB KiCad, yang mengekspor file SVG yang mudah diunggah ke situs web Ponoko untuk kutipan instan. Selanjutnya, kami dapat mengimpor PCB lain ke dalam desain kami agar mudah mencocokkan desain kandang kami dengan desain PCB kami.

Prototyping: Benar-benar Memahami Jika Desainnya Berfungsi

Dengan desain yang lengkap, sekarang saatnya memesan suku cadang untuk pembuatan. Meskipun kita tahu bahwa rangkaian berfungsi dengan baik dari pengujian sebelumnya (tidak dibahas di sini), desain akhir dapat menghadapi tantangan yang belum diperkirakan saat ini (seperti penempatan suku cadang yang salah atau lebar jejak yang tidak tepat). Selain itu, PCB kami mungkin tidak sesuai dengan enklosur kami dengan benar, atau penggunaan lapisan mungkin terbukti terlalu menantang.

Inilah sebabnya mengapa membuat prototipe sangat penting; memiliki produk fisik adalah satu-satunya cara untuk benar-benar memahami apakah sebuah desain akan berhasil atau tidak.

Pada artikel berikutnya, kita akan melihat pemesanan PCB dan perakitan PCB dari PCBWay, pemesanan suku cadang potong laser dari Ponoko dan tantangan yang akan datang.