Рисуем корпус Arduino Nano в SolidWorks для 3D-печати

Статья содержит подробную инструкцию, предназначенную для разработки корпуса под Arduino Nano в программе SolidWorks с последующей 3D-печатью. Корпус имеет задвигающуюся крышку и кнопку. Процесс разбит на шаги, шаги на отдельные пункты, действия проиллюстрированы скриншотами из SolidWorks.

На каждом изображении совмещено до 4 скриншотов. Для удобного просмотра возможно открывать картинки в полном размере, а в конце прилагаем фотографии напечатанных изделий.

Инструкция очень подробная, содержит много примечаний, связанных с особенностями 3D-печати. Предназначена для тех, кто недавно приступил к изучению SolidWorks, немного знаком с интерфейсом и умеет пользоваться базовыми инструментами: бобышка, вытянутый вырез, автоматическое нанесение размеров, фаски. Глубоких знаний SolidWorks не требуется.

Введение

При проектировке детали больше всего времени уходит на обдумывание мелочей. Дополнительные сложности возникают, если проектировать нужно под 3D-печать со всеми вытекающими особенностями.

Прежде, чем проектировать корпус для контроллера Arduino Nano, необходимо снять основные размеры:

• габариты самой платы;
• размеры его mini-USB разъемов и контактов, которые будут выходить наружу.

Для этого понадобится штангенциркуль и линейка.

Размеры платы и некоторые особенности

Мы будем разрабатывать небольшой корпус для Arduino Nano – удобный в работе и легкий в печати. Пины у контроллера останутся открытыми, световая индикация будет хорошо видна, в корпусе будет крышка для легкого монтажа/демонтажа платы в корпус, а также кнопка.

Габариты платы – 43,5 мм в длину, 17,7 мм в ширину. Есть выступающие детали: снизу контроллера USB-COM порт выпирает на пару миллиметров, вверху большую часть занимает mini-USB. От грани контроллера USB до верхней грани micro-USB расстояние составляет 7,3 мм. Порт USB имеет небольшой изгиб, соответственно придется моделировать и его тоже.

Порт выступает за габариты платы на 2 мм, высота порта – 3,8 мм. Ширина порта имеет два размера – 7,7 мм сверху, 6,8 мм снизу из-за его необычной формы. Большая часть деталей стоит по центру, что несколько упростит моделирование.

Проектирование корпуса в SolidWorks

Чтобы приступить к проектировке, запустите SolidWorks и создайте новый проект: файл – новый – деталь (трехмерное представление нового тела).

Шаг 1: создание тела

1. Перейдите во вкладку «эскизы» и воспользуйтесь инструментом «прямоугольник из центра» (пиктограмма прямоугольника с точкой посередине). Выберите вид спереди и на рабочей области нарисуйте прямоугольную фигуру из центра.
   Для удобства работы можно нажать CTRL+8, чтобы развернуть плоскость перпендикулярно к себе.
2. Проставьте размеры, соответствующие габариту платы Arduino Nano + 1 мм для каждого значения, воспользовавшись автоматическим нанесением размеров.
   
   Примечание: поскольку мы проектируем корпус для последующей 3D-печати, такие правки в размеры обязательно нужно делать, поскольку процесс печати практически всегда искажает реальные размеры из-за усадки пластика, особенно если использовать материал ABS. Даже самый правильно настроенный принтер в итоге напечатает деталь с усадкой в 1-2%.
3. Воспользуйтесь инструментом «вытянутая бобышка» на вкладке «элементы», чтобы получить твердое тело. В его размер также внесем корректив в большую сторону на 1,6 мм. Итоговый размер будет 8,9 мм. Сюда мы закладываем толщину крышки, которая будет смоделирована отдельно.

Шаг 2: полый корпус без крышки

1. Чтобы создать полость внутри твердого тела, воспользуйтесь инструментом «оболочка» во вкладке элементы. Это придаст твердому телу вид коробочки.
2. Поставьте ему толщину 1,2 мм и добавьте одну грань, где будет открытая область. Кликните сначала в поле, помеченное синим кружком, а затем на грань, отмеченную на рисунке стрелкой тем же цветом. Инструменту нужно обязательно поставить чекбокс «оболочка наружу». Отметьте рядом пункт «отобразить предварительный просмотр».
   
   Пока кнопку «применить» не нажимаем!
3. У одной из граней мы сделаем толщину 2 мм под USB-выход. Выберите грань и отредактируйте ее отдельно, как показано на рисунке, и нажмите на зеленую галочку (применить).
   
   Примечание: для печати необходимо знать размер сопла принтера. Многие производители ставят сопла с размером экструзии 0,4 мм. Это значит, что минимальная толщина стенки по периметру детали может быть 0,4. Если принтер делает два или три прохода по периметру, соответственно нужно число 0,4 мм умножать на число периметров. Допустим, принтер печатает с соплом 0.4 мм и на каждом слое он делает 3 внешних периметра, то толщина стенки будет 1,2 мм. Печать будет идти без искажений.

Шаг 3: вырез под разъем USB

1. На подготовленной грани для порта (с толщиной 2 мм) нужно сделать новый эскиз. Для этого в рабочей зоне выберите утолщенную грань и создайте на ней новый эскиз. Отобразите его к себе перпендикулярно.
2. Начертите контуры будущего разъема с помощью инструмента «прямоугольник из центра». Проставьте ему размеры с увеличением на 0,5 мм, это будет небольшой допуск, чтобы после печати не пришлось дорабатывать прорезь надфилями.
   Пример: по ширине размер USB 7,7 мм, значит, отверстие нужно сделать чуть больше – 8,2 мм.
3. Воспользуйтесь автоматической привязкой к центру. Для этого с зажатой клавишей CTRL выберем две точки как на картинке и применим взаимосвязь «горизонтальный».
4. К одной из сторон нужно применить автоматическое нанесение размеров, поскольку на этом расстоянии у нас находится стенка крышки. Толщина стенок 1,2 мм, поэтому и размер ставим соответствующий.
5. У miniUSB посередине есть небольшая ступенька. Точно измерить ее сложно, поступите следующим образом: измерьте линейкой расстояние с каждого края до начала изгиба, как показано на рисунке. В данном случае получилось примерно 1,8 мм с каждого края. Инструментом «линия» схематично нарисуйте пару отрезков, как на рисунке, затем нанесите размеры.
   Нарисуйте осевую линию по центру эскиза. Минимальный размер miniUSB 6,8 мм нужно поделить на 2, так как замер будет идти от осевой линии. Получится 3,4 мм. На рисунке осевая показана розовым цветом.
   
6. Инструментом «отсечь объекты» удалим ненужные линии.
7. Инструментом «зеркально отразить объекты» сделаем отражение наших линий относительно центральной оси и применяем. Нужно снова воспользоваться инструментом «отсечь объекты» и также удалить ненужные линии с другой стороны эскиза. Нажмите на галочку «применить».
8. Эскиз разъема готов, осталось вырезать его в корпусе. Во вкладке «элементы» воспользуйтесь инструментом «вытянутый вырез». В данном случае длина выреза должна превышать толщину стенки, чтобы отверстие было сквозное. Примените изменения, нажав на галочку.

Шаг 4: упоры для платы

Если сейчас распечатать эту коробочку, плата в ней будет ложиться на излом, поскольку у текстолита Arduino Nano не будет опоры. Нужно спроектировать четыре упора по краям, на них будет упираться текстолит.

1. Воспользуемся инструментом «прямоугольник по углам» и нарисуем на внутренней плоскости в одном из углов квадрат размером 2х2 мм. Две его грани должны автоматически привязаться к краям прилегающих стенок. Не выходя из эскиза, нанесите две осевые линии для отражения этого квадрата по другим краям коробочки.
2. Инструментом «зеркально отразить объект» отразите эскизы квадратов. Это нужно сделать в два захода. Сначала выделяете все четыре линии квадрата, отображаете их по горизонтали и нажимаете применить, затем выделяете линии двух квадратов и отражаете относительно вертикальной линии. Не забудьте нажать галочку.
3. Во вкладке «элементы» выберем «вытянутая бобышка» и сделаем упоры трехмерными. В поле «глубина» указываем размер 3,9 мм.
   Примечание: для этого шага необходимо знать расстояние от верхней части miniUSB до платы Arduino, измерьте его штангенциркулем.

Шаг 5: вырезы под контакты, кнопку и светодиоды

На плате Arduino Nano есть пины для подключения периферии.

1. Создайте еще один эскиз на внутренней стенке корпуса. Пины у Arduino в ширину занимают примерно 3 мм. Этого расстояния достаточно для подключения проводов с квадратными разъемами.
2. Во вновь созданном эскизе в длину нарисуем прямоугольник с привязками от упора до упора. Для этого нам понадобится снова инструмент «прямоугольник по углам». Ширину разъемов выставляем 3 мм у каждого выреза.
   
   Примечание: в процессе черчения некоторые линии могут автоматически не привязаться, поэтому нужно использовать CTRL и ручную привязку: с зажатой клавишей CTRL выберите две линии, которые должны быть связаны, и нажмите во вкладке взаимосвязи кнопку «колинеарный», тем самым слив две линии в одну.
3. Еще один разъем, под который нужно сделать вырез, немного смещен. Учитываем это и вносим соответствующие правки.
   На этом же эскизе нарисуйте произвольный прямоугольник. Ширина и длина выреза под разъем составляет 6х9 мм.
   
   Расстояние от внутренней стенки корпуса до коннектора составляет 4,5 мм. В правой стороне прямоугольника и параллельной стенке корпуса применим взаимосвязь «колинеарный».
4. На плате имеются кнопка сброса и несколько светодиодов, под них необходимо сделать отдельные отверстия. Начнем с выреза под светодиоды. Его ширина приблизительно 8 мм. Вырез расположен по центру, можно нарисовать прямоугольник с привязкой из центра. Расстояние от правого края платы до светодиодов - 9 мм. Ширина светодиодов – 1,7 мм.
5. Переходим к отверстию под кнопку. Линейкой измерьте расстояние от центра кнопки до краев текстолита и отобразите это на эскизе. Длина кнопки 4 мм, ширина 7 мм. Расстояние от края текстолита до центра выреза под кнопку 16,5 мм.
6. Вырежьте инструментом «вытянутый вырез» созданные прорези под контакты, размер указываем немного больше толщины стенок корпуса.

Шаг 6: моделирование пазов для крышки

Корпусу не хватает крышки, моделировать ее нужно отдельно. Но сначала нужно сделать в корпусе два паза друг напротив друга, иначе без них крышка держаться не будет.

1. Перейдите на панель эскизов и создайте новый эскиз, выберите «вид справа». Нажмите на редактируемом эскизе кнопку «перпендикулярно» (правой кнопкой мыши по эскизу - выбрать значок перпендикулярно). Здесь нужно включить вид в разрезе, чтобы проще было ориентироваться. В меню «сечение 1» выберите вид справа.
2. Сначала начертим осевую линию посередине, затем нарисуем произвольный угол из двух отрезков. Один отрезок вертикален. Проставим размеры: между крайними точками отрезков ширина 1,28 мм, между крайней левой стенкой и корпусом – 1,6 мм.
   Дополнительные размеры: угол между отрезками 45 градусов, расстояние от внутренней стенки до верхней точки угла 0,64 мм.
3. Теперь нужно добавить несколько произвольных линий для будущего выреза под крышку (до осевой линии, как показано на рисунке) и воспользоваться инструментом «зеркально отразить объекты».
4. Применим «вытянутый вырез» к эскизу: в сторону USB (направление 1) поставим размер 22,15 мм, в противоположную (направление 2) – 25 мм. Этого достаточно, чтобы вырезались пазы под будущую крышку.

Шаг 7: фаски

Фаски несут в себе две функции: эстетику и сглаженность при печати. Сопло не будет делать резких движений под углом 90 градусов, а будет плавно поворачивать под 45. При печати грани детали не только не будут заворачиваться вверх, но и корпус будет выглядеть эстетичнее. Для граней 1 мм фасок будет достаточно.

Выберите инструмент «фаска» во вкладке элементы и укажите размер 1 мм. Укажите, к каким граням нужно применить. Поворачивайте корпус детали, чтобы удобнее было выделять фаски.

Шаг 8: крышка

Корпус готов, осталось экспортировать его в формат STL и напечатать. Пока он печатается, создайте новый файл.

1. Файл – новый – деталь (трехмерное представление одного элемента).
2. Создадим новый эскиз и снова укажем габариты Arduino Nano. Перейдите во вкладку эскиз и на виде спереди нарисуйте прямоугольник с размерами 18,2 мм и 1,6 мм. Также нужно нарисовать осевую линию, разделяющую фигуру пополам.
   
   Примечание: к размеру 17,7 необходимо добавить 0,2-0,5 мм, чтобы крышка сидела как можно плотнее. Если распечатать без 0,5 мм, крышка закроется, но будет болтаться из-за усадки.
3. Нарисуйте двумя отрезками выступ с одной стороны прямоугольника и поставьте ему размеры: горизонтальной линии 0,64 мм, угол между линиями – 45 градусов. Удалите инструментом «отсечь объекты» лишнюю линию прямоугольника.
4. Отразите треугольник относительно осевой линии, не забудьте отсечь линию с другой стороны между треугольником и прямоугольником.
5. Перейдите во вкладку «элементы» и выберите «вытянутая бобышка», укажите размер 44,7 мм (43,5 мм длина ардуино + 1,2 толщина стенки).

Шаг 9: кнопка

1. Создайте новый документ: файл – новый – деталь.
2. На виде спереди выберите вкладку эскиз и начертите произвольный «прямоугольник из центра»
3. Размер кнопки будет немного меньше отверстия в корпусе на 0,5 мм (3,5мм и 6,5мм) с каждой стороны. Кнопка очень маленькая, при распечатке практически не усаживается, поэтому делать размер еще меньше нет никакого смысла.
   
   Примечание: для того, чтобы определиться, какую высоту делать у кнопки, учитывайте толщину слоя у 3D-принтера. Расстояние от кнопки до корпуса лицевой стороны примерно 3 мм. 3D-принтер печатает слоем 0,32 мм. Если напечатать в высоту 9 слоев, кнопка окажется утопленной в корпус на 2,88 мм и ее тяжело будет нажимать. Если печатать в 10 слоев, то кнопка будет немного выпирать (3,2 мм). Чтобы кнопка не вываливалась из корпуса, понадобится небольшой бордюр. Нужно разделить высоту между кнопкой и бордюром так, чтобы общая высота составляла 3,2 мм.
4. Во вкладке элементы с помощью «бобышка/основание» задайте высоту кнопки 1,92 мм и нажмите применить.
5. Снова выберите вкладку «эскиз» и создайте эскиз на торцевой части кнопки.
6. Инструментом «прямоугольник из центра» нарисуйте эскиз немного больше основной кнопки и проставьте размеры на 1 мм больше кнопки (4,5 мм и 7,5 мм). Примените изменения.
7. Инструментом «вытянутая бобышка» делаем высоту бордюра 1,28 мм, применяем результат.
8. Сделайте небольшие фаски 0,4 мм с помощью соответствующего инструмента. Выберите 8 граней, как показано на рисунке, и нажмите галочку применить.

Крышка и кнопка полностью готовы, осталось их распечатать.