GlassCube - 4x4x4 LED -kub på glas -kretskort: 11 steg (med bilder)

2025 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2025-01-23 15:10

Min första någonsin instruerbara på denna webbplats var en 4x4x4 LED -kub som använder glas PCB. Normalt gillar jag inte att göra samma projekt två gånger men nyligen kom jag över den här videon av den franska tillverkaren Heliox som inspirerade mig att göra en större version av min ursprungliga kub. I sin video kommer Heliox med en mycket enklare process för att tillverka glas-PCB som inte innefattar etsning men istället använder hon en plotter för att klippa spåren från en självhäftande kopparfolie som sedan överförs till ett glasunderlag. Eftersom plotters inte är så dyra och också kan vara till nytta för andra projekt fick jag bara en för att testa processen själv.

Förutom att vara en större version av min ursprungliga kub använder den här versionen också ett anpassat kretskort baserat på en SAMD21 mikrokontroller och ett hölje av laserskärning akryl. Kuben kan programmeras med Arduino IDE och är också kompatibel med CircuitPython.

GlassCube -satsen finns nu också på Tindie.

Om du köpte satsen behöver du bara löda lysdioderna (steg 5), montera huset (steg 8) och koppla ihop lagren (steg 9)

Tillbehör

• 64 st - WS2812B 5050 SMD LED (t.ex. aliexpress)
• 4 st - 100 x 100 x 2 mm glasplatta (jag hittade denna riktigt billiga tyska leverantör som bara tar ut 0,20 EUR/st)
• 2 st - A4 -ark med självhäftande kopparfolie (t.ex. amazon)
• 1 rulle - plotteröverföringspapper (t.ex. amazon)
• 1 set - laserskärning akryl (se nedan)
• 1 anpassat kretskort (se nedan)
• 4 st M2x8 skruvar + muttrar

De totala kostnaderna för alla material inklusive laserskärningstjänsten och tillverkning av kretskort är cirka 100 euro.

Verktyg

• Silhouette Portrait 2 plotter (t.ex. amazon)
• laserskärare eller laserskärningstjänst online (jag använder snijlab.nl)
• lödkolv
• värmeplatta eller återflödningsugn för SMD -lödning (eller avancerade handlödningskunskaper

Steg 1: CAD -design

Höljet och PCB -måtten på GlassCube designades i Fusion360, jag har bifogat designen nedan.

Kantpelarna och topplattan är gjorda av 3 mm tjock transparent akryl. Skikten med lysdioderna är gjorda av 2 mm tjockt flottörglas. Bottenplattan är en skräddarsydd PCB.

Steg 2: LED PCB Design

Jag använde Eagle för att utforma layouten på glas -PCB: erna. Eftersom det inte är lika exakt att skära spåren med en plotter som att etsa dem med toneröverföringsmetoden är den minimala spårbredden begränsad. Jag försökte olika spårbredder och upptäckte att 32 mil var minsta storlek som jag kunde använda som tunnare spår som ofta skalas av under plottning.

För att kunna klippa av spåren från kopparfolien måste skivlayouten omvandlas till dxf. Jag tog mig ett tag att ta reda på hur jag gör det här rätt så låt mig gå igenom stegen i detalj

1. öppen planlösning i Eagle
2. dölja alla lager utom det översta lagret
3. klicka på Arkiv-> Skriv ut och välj sedan Skriv ut till fil (pdf)
4. öppna pdf i Inkscape
5. Använd sökvägsskärningsverktyget för att markera ett enda spår och klicka sedan på E dit-> Välj samma-> Stroke Style detta bör markera alla spår (men inte kuddarna)
6. klicka på Path-> Stroke to Path detta konverterar banans konturer till nya sökvägar
7. markera alla sökvägar (inklusive kuddar) genom att välja sökvägsverktyget och sedan trycka på ctrl+a
8. klicka på Path-> Union detta bör kombinera alla sökvägar och ta bort eventuella snittlinjer inuti "fyllda" områden
9. klicka på Arkiv-> Spara som och välj *.dxf som filformat

Dxf -filen finns här på min GitHub.

Steg 3: Skär kopparfolien

Dxf-filen klipptes från A4-ark med självhäftande kopparfolie med en Silhouette Portrait 2-plotter. Koppararken fästes först på den medföljande självhäftande skärmattan. Programvaruinställningarna som jag använde för skärning kan ses på den bifogade bilden.

Efter skärning måste överflödig folie avlägsnas försiktigt. För att inte skada den skurna folien lämnade jag hela A4 -arket på skärmattan för följande steg.

Steg 4: Överföring av kopparfolien

Den skurna folien överfördes på glasplattan med hjälp av överföringspapper som bara är en annan självhäftande folie. Överföringspappret fästs på kopparfolien och skalas sedan långsamt av så att kopparfolien håller fast vid överföringsarket. Sedan fästs det på glasunderlaget och överföringspappret skalas långsamt av så att kopparfolien fastnar på glasplattan den här gången.

Brädlayouten har två markörer i övre vänstra och högra hörnen som hjälper till att justera folien korrekt på glasplattan. Efter fastsättning kan markörerna åter tas bort från glasplattan.

Steg 5: Lödning av lysdioderna

SMD -lysdioderna löddes på glasplattan för hand. Jag försökte också fästa dem med hjälp av en värmeplatta (faktiskt min spis) men som bilden visar var det inte en bra idé. Om du har en ordentlig återflödningsugn kan det vara värt ett försök men beroende på vilken typ av glas som används finns det en allvarlig risk att den går sönder under uppvärmningen.

Beträffande orienteringen av lysdioderna finns det två olika layouter. För kubens första och tredje lager kommer orienteringen att vara annorlunda än för det andra och fjärde skiktet. På detta sätt är det lättare att sammankoppla skikten senare.

Steg 6: Microcontroller PCB

Istället för att förlita mig på en kommersiell utvecklingskort som Arduino Nano, konstruerade jag ett anpassat kretskort i Eagle för att styra lysdioderna. Fördelen är att jag kunde forma brädan så att den passar fint in i kuben. Kortet är baserat på en ATSAMD21E18 mikrokontroller som är samma som används i Adafruit's Trinklet M0. Jag valde denna MCU eftersom den har inbyggd USB och inte kräver ett FTDI -chip för programmering. Adafruit erbjuder också bootloaders som är kompatibla med Arduino IDE samt CircuitPython.

En anmärkning om kortet är att det fungerar med 3,3V logik medan WS2812B bör användas med 5V, men många har visat att drift med 3,3V också är möjlig.

Jag fick mina PCB från PCBWay.com Gerber Files och BoM finns på mitt GitHub -konto.

Med vissa färdigheter kan SMD -komponenterna på detta kretskort lödas för hand även om en värmeplatta eller återflödningsugn naturligtvis fungerar bättre.

Steg 7: Blinkar startladdaren

Jag använde UF2 bootloader från Adafruit för deras Trinket M0 -kort. MCU flashades med hjälp av ett J-Link-verktyg. Detaljerade instruktioner om hur man laddar upp bootloader finns på Adafruit -webbplatsen. Det fina med Adafruits UF2-SAMD bootloader är att efter första installationen visas MCU som en flash-enhet och du kan bara dra en UF2-fil till den flyttbara enheten för att blinka igen. Detta gör det väldigt enkelt att t.ex. växla mellan Arduino IDE och CircuitPython.

Steg 8: Lasercut -bostäder

Kubens hölje skars av 3 mm tjock transparent akryl. Jag använde en online laserskärningstjänst (snijlab.nl). Motsvarande dxf -filer finns också på mitt GitHub -konto. Höljet består av 4 stolpar och en topplatta. Stolparna är fästa på huvudkortet på botten med 4 st M2x8 skruvar och muttrar.

Steg 9: Ansluta lagren

Efter att huset var monterat kopplade jag ihop skikten med lödningstrådar på dynorna på glasskivorna. Detta visade sig vara en ganska känslig procedur och det finns risk för att akryl bränns eller kopparkuddarna slits. Observera att GND- och VCC -stiften byter position på varje lager så att trådarna måste korsas. För att undvika att trådarna slet av kopparkuddarna fixade jag dem med en liten droppe smörjlim efter lödning. Det första lagret var anslutet till det nedre kretskortet med en Dupont -kontakt men trådarna kan också lödas direkt till kretskortet.

Steg 10: Ladda upp koden

Jag använde CircuitPython (version 4.x) för att programmera kuben. När du har installerat CircuitPython bootloader kan du bara köra kod genom att spara den direkt på MCU -flashenheten. Det är ingen kompilering nödvändig också du kan t.ex. öppna koden igen och redigera den.

Hittills har jag precis skapat några grundläggande animationer men det borde vara relativt enkelt för alla att förlänga koden. Koden finns på min GitHub, för att köra den behöver Adafruit Neopixel och fancyLED -bibliotek som finns här.

Steg 11: Färdig kub

Jag är ganska nöjd med kubens utseende, kretskorten i glas och akrylhuset fungerar fint ihop. Det var också roligt att skapa min egen MCU -bräda för första gången och jag är nästan förvånad över att det fungerade på första försöket. Eftersom jag har några extra kretskort och akryldelar skulle jag vilja göra denna kub tillgänglig som ett DIY -kit på Tindie. Så om du är intresserad, håll utkik efter det eller skriv bara ett privat meddelande till mig.

Också om du gillar det här instruerbara, vänligen rösta på mig i Make It Glow Contest.

Tvåa i tävlingen Make it Glow