GlassCube - 4x4x4 LED Cube บน Glass PCBs: 11 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2025 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2025-01-23 15:12

คำแนะนำครั้งแรกของฉันบนเว็บไซต์นี้คือ 4x4x4 LED Cube โดยใช้ PCB แบบแก้ว โดยปกติ ฉันไม่ชอบทำโปรเจ็กต์เดียวกันสองครั้ง แต่เมื่อเร็วๆ นี้ ฉันเจอวิดีโอของผู้ผลิตชาวฝรั่งเศส Heliox ซึ่งเป็นแรงบันดาลใจให้ฉันสร้างคิวบ์ดั้งเดิมในเวอร์ชันที่ใหญ่ขึ้น ในวิดีโอของเธอ Heliox มีกระบวนการที่ง่ายกว่ามากในการผลิต PCB ที่เป็นแก้วซึ่งไม่เกี่ยวข้องกับการแกะสลัก แต่เธอใช้พล็อตเตอร์เพื่อตัดรอยตามรอยจากฟอยล์ทองแดงแบบมีกาวในตัวซึ่งจะถูกถ่ายโอนไปยังพื้นผิวที่เป็นแก้ว เนื่องจากพล็อตเตอร์ไม่ได้มีราคาแพงขนาดนั้น และยังมีประโยชน์สำหรับโปรเจ็กต์อื่นๆ อีกด้วย ฉันจึงได้ตัวหนึ่งมาลองใช้ด้วยตัวเอง

นอกเหนือจากการเป็นคิวบ์ดั้งเดิมของฉันที่ใหญ่กว่าแล้ว เวอร์ชันนี้ยังใช้ PCB แบบกำหนดเองตามไมโครคอนโทรลเลอร์ SAMD21 และตัวเรือนที่ทำจากอะครีลิคเลเซอร์คัท คิวบ์สามารถตั้งโปรแกรมด้วย Arduino IDE และเข้ากันได้กับ CircuitPython

ชุด GlassCube มีให้ใน Tindie แล้ว

ในกรณีที่คุณซื้อชุดอุปกรณ์ คุณจะต้องบัดกรี LED เท่านั้น (ขั้นตอนที่ 5) ประกอบตัวเรือน (ขั้นตอนที่ 8) และเชื่อมต่อชั้นต่างๆ (ขั้นตอนที่ 9)

เสบียง

• 64 ชิ้น - WS2812B 5050 ไฟ LED SMD (เช่น aliexpress)
• 4 ชิ้น - แผ่นกระจก 100 x 100 x 2 มม. (ฉันพบซัพพลายเออร์เยอรมันราคาถูกจริงๆ ซึ่งคิดเพียง 0.20 ยูโร/ชิ้น)
• 2 ชิ้น - กระดาษฟอยล์ทองแดงแบบมีกาวในตัวขนาด A4 (เช่น อเมซอน)
• 1 ม้วน - กระดาษลอกลายพล็อตเตอร์ (เช่น อเมซอน)
• 1 ชุด - อะคริลิคตัดเลเซอร์ (ดูด้านล่าง)
• 1 PCB แบบกำหนดเอง (ดูด้านล่าง)
• สกรู M2x8 4 ชิ้น + น็อต

ต้นทุนรวมของวัสดุทั้งหมดรวมถึงบริการตัดด้วยเลเซอร์และการผลิต PCB อยู่ที่ประมาณ 100 ยูโร

เครื่องมือ

• พล็อตเตอร์ Silhouette Portrait 2 (เช่น amazon)
• เครื่องตัดเลเซอร์หรือบริการตัดเลเซอร์ออนไลน์ (ฉันกำลังใช้ snijlab.nl)
• หัวแร้ง
• แผ่นความร้อนหรือเตาอบ reflow สำหรับการบัดกรี SMD (หรือทักษะการบัดกรีด้วยมือขั้นสูง

ขั้นตอนที่ 1: การออกแบบ CAD

ขนาดตัวเรือนและ PCB ของ GlassCube ได้รับการออกแบบใน Fusion360 ฉันได้แนบการออกแบบด้านล่าง

เสาขอบและแผ่นด้านบนทำจากอะครีลิคใสหนา 3 มม. ชั้นที่มีไฟ LED ทำจากกระจกโฟลตหนา 2 มม. แผ่นด้านล่างเป็น PCB แบบกำหนดเอง

ขั้นตอนที่ 2: การออกแบบ PCB LED

ฉันใช้ Eagle เพื่อออกแบบเลย์เอาต์ของ PCB ที่เป็นแก้ว เนื่องจากการตัดรอยตามรอยด้วยพล็อตเตอร์นั้นไม่แม่นยำเท่ากับการแกะสลักด้วยวิธีการถ่ายโอนโทนเนอร์ ความกว้างของรอยน้อยที่สุดจึงถูกจำกัด ฉันลองใช้ความกว้างของรอยต่างๆ ที่แตกต่างกัน และพบว่าขนาด 32 มม. เป็นขนาดต่ำสุดที่ฉันสามารถใช้ได้ เนื่องจากรอยที่บางกว่ามักจะลอกออกในระหว่างการวางแผน

เพื่อให้สามารถตัดร่องรอยจากฟอยล์ทองแดงได้ เลย์เอาต์ของบอร์ดจะต้องถูกแปลงเป็น dxf ฉันใช้เวลาสักครู่เพื่อหาวิธีทำสิ่งนี้ให้ถูกต้อง ให้ฉันทำตามขั้นตอนโดยละเอียด

1. เลย์เอาต์กระดานเปิดใน Eagle
2. ซ่อนทุกชั้นยกเว้นชั้นบนสุด
3. คลิก ไฟล์ -> พิมพ์ จากนั้นเลือก พิมพ์เป็นไฟล์ (pdf)
4. เปิด pdf ใน Inkscape
5. ใช้เครื่องมือการเลือกเส้นทางเพื่อทำเครื่องหมายการติดตามเดียว จากนั้นคลิก E dit->Select Same->Stroke Style ซึ่งควรทำเครื่องหมายร่องรอยทั้งหมด (แต่ไม่ใช่แผ่นอิเล็กโทรด)
6. คลิก P ath->Stroke to Path ซึ่งจะแปลงโครงร่างเส้นทางเป็นเส้นทางใหม่
7. ทำเครื่องหมายเส้นทางทั้งหมด (รวมถึงแผ่นรอง) โดยเลือกเครื่องมือการเลือกเส้นทางแล้วกด ctrl+a
8. คลิก P ath->Union สิ่งนี้ควรรวมพา ธ ทั้งหมดและลบ cut-lines ใด ๆ ภายในพื้นที่ "filled"
9. คลิก ไฟล์ -> บันทึกเป็น แล้วเลือก *.dxf เป็นรูปแบบไฟล์

ไฟล์ dxf สามารถพบได้ที่นี่บน GitHub ของฉัน

ขั้นตอนที่ 3: ตัดฟอยล์ทองแดง

ไฟล์ dxf ถูกตัดจากกระดาษฟอยล์ทองแดงแบบมีกาวในตัวขนาด A4 ด้วยพล็อตเตอร์ Silhouette Portrait 2 ขั้นแรกให้ติดแผ่นทองแดงเข้ากับแผ่นรองตัดแบบมีกาวในตัว การตั้งค่าซอฟต์แวร์ที่ฉันใช้สำหรับการตัดสามารถดูได้ในภาพที่แนบมา

หลังจากตัดฟอยล์ส่วนเกินแล้วจะต้องเอาออกอย่างระมัดระวัง เพื่อไม่ให้กระดาษฟอยล์ที่ตัดเสียหาย ฉันจึงทิ้งกระดาษ A4 ทั้งแผ่นไว้บนแผ่นรองตัดสำหรับขั้นตอนต่อไปนี้

ขั้นตอนที่ 4: ถ่ายโอนฟอยล์ทองแดง

ฟอยล์ที่ตัดแล้วถูกถ่ายโอนไปยังแผ่นกระจกโดยใช้กระดาษถ่ายโอนซึ่งเป็นเพียงฟอยล์แบบมีกาวในตัว กระดาษถ่ายโอนติดอยู่บนฟอยล์ทองแดงแล้วค่อยลอกออกเพื่อให้ฟอยล์ทองแดงเกาะติดกับแผ่นถ่ายโอน จากนั้นนำไปติดบนพื้นผิวแก้วและกระดาษถ่ายโอนจะถูกลอกออกอย่างช้าๆ เพื่อให้ฟอยล์ทองแดงเกาะติดบนแผ่นแก้ว

เลย์เอาต์ของบอร์ดมีเครื่องหมาย 2 อันที่มุมซ้ายบนและมุมขวา ซึ่งช่วยจัดตำแหน่งฟอยล์บนแผ่นกระจกได้อย่างถูกต้อง หลังจากติดแล้ว ก็สามารถถอดเครื่องหมายออกจากแผ่นกระจกได้อีกครั้ง

ขั้นตอนที่ 5: บัดกรี LEDs

ไฟ LED SMD ถูกบัดกรีบนแผ่นกระจกด้วยมือ ฉันยังพยายามติดมันโดยใช้แผ่นความร้อน (ที่จริงแล้วคือเตาของฉัน) แต่ตามภาพที่แสดง กลับกลายเป็นว่าไม่ใช่ความคิดที่ดี หากคุณมีเตาอบรีโฟลว์ที่เหมาะสม อาจคุ้มค่าที่จะลอง แต่ขึ้นอยู่กับชนิดของกระจกที่ใช้ มีความเสี่ยงร้ายแรงที่กระจกจะแตกในระหว่างการให้ความร้อน

เกี่ยวกับการวางแนวของไฟ LED มีรูปแบบที่แตกต่างกันสองแบบ สำหรับเลเยอร์ที่หนึ่งและสามของคิวบ์ การวางแนวจะแตกต่างจากเลเยอร์ที่สองและสี่ ด้วยวิธีนี้ การเชื่อมต่อระหว่างชั้นต่างๆ ได้ง่ายขึ้นในภายหลัง

ขั้นตอนที่ 6: ไมโครคอนโทรลเลอร์ PCB

แทนที่จะใช้บอร์ดพัฒนาเชิงพาณิชย์อย่าง Arduino Nano ฉันได้ออกแบบ PCB แบบกำหนดเองใน Eagle เพื่อควบคุม LED ข้อดีคือฉันสามารถจัดรูปทรงกระดานเพื่อให้เข้ากับลูกบาศก์ได้อย่างลงตัว บอร์ดนี้ใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ ATSAMD21E18 ซึ่งเป็นตัวเดียวกับที่ใช้ใน Trinklet M0 ของ Adafruit ฉันเลือก MCU นี้เพราะมี USB ดั้งเดิมและไม่ต้องใช้ชิป FTDI สำหรับการเขียนโปรแกรม นอกจากนี้ Adafruit ยังมี bootloaders ที่เข้ากันได้กับ Arduino IDE และ CircuitPython

ข้อควรทราบอย่างหนึ่งเกี่ยวกับบอร์ดคือใช้งานได้กับลอจิก 3.3V ในขณะที่ WS2812B ควรใช้กับ 5V อย่างไรก็ตาม หลายคนได้แสดงให้เห็นว่าการทำงานกับ 3.3V ก็เป็นไปได้เช่นกัน

ฉันได้รับ PCB จาก PCBWay.com ไฟล์ Gerber และ BoM สามารถพบได้ในบัญชี GitHub ของฉัน

ด้วยทักษะบางอย่าง ส่วนประกอบ SMD บน PCB นี้สามารถบัดกรีด้วยมือแม้ว่าแผ่นความร้อนหรือเตาอบ reflow จะทำงานได้ดีกว่า

ขั้นตอนที่ 7: กระพริบ Bootloader

ฉันใช้บูตโหลดเดอร์ UF2 ที่ Adafruit จัดหาให้สำหรับบอร์ด Trinket M0 ของพวกเขา MCU ถูกแฟลชด้วยความช่วยเหลือของเครื่องมือ J-Link คำแนะนำโดยละเอียดเกี่ยวกับวิธีการแฟลช bootloader สามารถดูได้จากเว็บไซต์ Adafruit สิ่งที่ยอดเยี่ยมเกี่ยวกับ bootloader ของ Adafruits UF2-SAMD คือหลังจากการติดตั้งครั้งแรก MCU จะปรากฏเป็นแฟลชไดรฟ์ และคุณสามารถลากไฟล์ UF2 ไปยังไดรฟ์แบบถอดได้เพื่อแฟลชอีกครั้ง สิ่งนี้ทำให้ง่ายมากที่จะเช่น สลับระหว่าง Arduino IDE และ CircuitPython

ขั้นตอนที่ 8: Lasercut Housing

ตัวเรือนของลูกบาศก์ถูกตัดจากอะคริลิกใสหนา 3 มม. ฉันใช้บริการตัดเลเซอร์ออนไลน์ (snijlab.nl) ไฟล์ dxf ที่เกี่ยวข้องสามารถพบได้ในบัญชี GitHub ของฉัน ตัวเรือนประกอบด้วย 4 เสาและแผ่นด้านบน เสายึดกับ PCB หลักที่ด้านล่างโดยใช้สกรูและน็อต M2x8 4 ชิ้น

ขั้นตอนที่ 9: เชื่อมต่อเลเยอร์

หลังจากประกอบตัวเรือนแล้ว ฉันเชื่อมต่อชั้นต่างๆ โดยการบัดกรีสายไฟบนแผ่นอิเล็กโทรดบน PCB ที่เป็นแก้ว นี่เป็นขั้นตอนที่ค่อนข้างละเอียดอ่อนและมีความเสี่ยงที่จะไหม้อะคริลิกหรือแผ่นทองแดงฉีก โปรดทราบว่าหมุด GND และ VCC จะสลับตำแหน่งในทุกเลเยอร์ ดังนั้นต้องข้ามสายไฟ เพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้สายไฟขาดจากแผ่นทองแดง ฉันจึงแก้ไขด้วยกาวร้อนเล็กน้อยหลังจากการบัดกรี ชั้นแรกเชื่อมต่อกับ PCB ด้านล่างด้วยขั้วต่อ Dupont แต่สามารถบัดกรีสายไฟเข้ากับ PCB ได้โดยตรง

ขั้นตอนที่ 10: การอัปโหลดรหัส

ฉันใช้ CircuitPython (เวอร์ชัน 4.x) เพื่อตั้งโปรแกรมคิวบ์ เมื่อคุณติดตั้ง CircuitPython bootloader แล้ว คุณสามารถรันโค้ดได้โดยการบันทึกลงในแฟลชไดรฟ์ MCU โดยตรง ไม่จำเป็นต้องคอมไพล์เช่นกัน เปิดรหัสอีกครั้งและแก้ไข

จนถึงตอนนี้ ฉันเพิ่งสร้างแอนิเมชั่นพื้นฐานบางส่วน แต่มันน่าจะง่ายสำหรับทุกคนในการขยายโค้ด รหัสนี้สามารถพบได้บน GitHub ของฉัน เพื่อที่จะรันมันจำเป็นต้องมีไลบรารี Adafruit Neopixel และ fancyLED ที่นี่

ขั้นตอนที่ 11: Cube เสร็จแล้ว

ฉันค่อนข้างพอใจกับรูปลักษณ์ของลูกบาศก์ PCB ที่เป็นแก้วและตัวเรือนอะครีลิคทำงานร่วมกันได้อย่างลงตัว การสร้างบอร์ด MCU ของตัวเองเป็นครั้งแรกก็เป็นเรื่องสนุกเช่นกัน และฉันเกือบจะประหลาดใจที่มันได้ผลในการลองครั้งแรก เนื่องจากฉันมี PCB และชิ้นส่วนอะครีลิคสำรอง ฉันจึงต้องการให้ลูกบาศก์นี้เป็นชุดอุปกรณ์ DIY บน Tindie ดังนั้นหากคุณสนใจมองหามันหรือเพียงแค่เขียนข้อความส่วนตัวถึงฉัน

นอกจากนี้หากคุณชอบคำแนะนำนี้โปรดลงคะแนนให้ฉันในการประกวด Make It Glow

รองชนะเลิศการประกวด Make it Glow