Toolbox Interactiondesign


Hardware & Software Sketching 2012

Entwicklung des Gehäuses

Adrian Wendt, Hardware & Software Sketching bei Prof. Christine Goutrié

Konzept & Hintergrund

Trotz verschiedener Konzepte soll ein möglichst einheitliches Erscheinungsbild der Hardware vermittelt werden, sodass die einzelnen Exponate in ihrer Gesamtheit zusammengehörig erscheinen. Ausgehend von der bei jedem Studenten einheitlich vorhandenen 8×8 LED-Matrix wird das Gehäuse Konstruiert.

Zusammengefasst ergeben sich diese Anforderungen für die Hardware

– klare & helle Darstellung der einzelnen LED-Pixel
– Einheitliches Erscheinungsbild
– bequeme Benutzung als Handgerät und/oder fest installiertes Exponat
– Das Gehäuse muss wieder geöffnet werden können
– Das im Gehäuse verbaute Arduino muss ohne es auszubauen mit dem Computer ansteuerbar sein
– Mit den Mitteln der hauseigenen Hochschulwerkstatt herstellbar
– Kosten im Rahmen des Studentenbudgets

Das Gehäuse muss für diese Komponenten Platz bieten

– 8×8 LED-Matrix (17mm LED-Abstand)
– Arduino (max. Arduino Mega)
– TLC-Shield
– zwei RJ45 Buchsen (hier: nur eine)
– Sensoren und Aktoren unterschiedlicher Größe (hier: Beschleunigungssensor, Vibrationsmotor
– LED-Siebensegmentanzeige (nur bei diesem Projekt)

Die wesentlichen Bestandteile des Gehäuses sind

– Streuscheibe (Acrylglas, milchig 3 mm, gefräst)
– Reflektor (PU-Schaum, Dichte: 450 kg/m³, gefräst)
– Rückschale (Polystyrol 2 mm, tiefgezogen)

An oberster Stelle steht die Darstellungsqualität der einzelnen LED-Pixel. Bei ungünstigen Lichtverhältnissen waren angeschaltete LEDS bei Tests von ausgeschalteten selten zu unterscheiden. Die Leuchtkraft streuender Lichtquellen lässt sich wie bei einer Taschenlampe durch Reflektoren potenzieren und richten. Durch die Anordnung der LEDs im Quadrat mit in zwei Achsen gleichem Abstand sind Reflektoren, welche das Licht zu einem quadratischen Punkt formen, am sinnvollsten. Insgesamt 64 Reflektoren projizieren das Licht der LEDs auf eine Streuscheibe aus milchigem Acrylglas. Für eine Bessere Trennung der einzelnen Pixel wird eine dickere Scheibe verwendet, die passgenau quadratische Ausfräsungen pro Leuchtdiode besitzt. So dringt an den relevanten Stellen mehr Licht hindurch während gleichzeitig die Streuung des Lichts auf benachbarte Pixel minimiert wird. Der Reflektor wird aus härterem PU-Schaum gefräst und anschließend mit Chrom-Sprühfarbe lackiert. Die Verbindung mit der Streuscheibe findet mittels schnellhärtendem, transparenten Zweikomponentenkleber statt. Durch Positionierungshilfen rastet der Reflektorblock passgenau auf dem Acrylglas ein.

Die Rückschale nimmt vom Gehäuse das meiste Volumen ein. Die Form ergibt sich aus der Summe der Anforderungen der jeweiligen Konzepte. Sie muss für Arduino Mega, TLC-Shield, zwei Anschlussbuchsen (RJ45) sowie diverse Sensoren und Aktoren ausreichend Platz bieten. Die Exponate werden bei ihrer Bedienung teilweise in der Hand gehalten, stehen aber auch aufrecht. Handgeräte müssen nach der Bedienung individuell entweder abgelegt oder aufrecht abgestellt werden. Die Form muss also weich und handgerecht sein, darf aber beim hinstellen nicht umkippen. Um ggf. einen sicheren Stand zu gewährleisten, werden zusätzlich Magnete in Gehäuse und der Tischplatte, auf der das Exponat steht, verbaut. Die Form läuft gleichmäßig schräg zu. So liegt sie nicht nur gut in den Händen, sondern lässt sich auch wegen der klar festgelegten Entformschräge mittels des Tiefziehverfahrens einfach reproduzieren. Ein auf der Rückseite umlaufender Rand erhöht die Griffigkeit und verhindert, dass das Gerät liegend schnell verrutscht, wie es bei planen Rückflächen der Fall wäre. Um das Gehäuse beliebig oft öffnen zu können, kommen zur Befestigung der Rückschale an Reflektor und Scheibe Schrauben zum Einsatz.

Planung & Anfertigung des Gehäuses

Nach anfänglichen Skizzen wird mit der Umsetzung in CAD begonnen. Der Platzbedarf bzw. die genauen Maße der Komponenten sind für das Design richtungsweisend. Um schon während des Gestaltungsprozesses die Proportionen testen und optimieren zu können, werden zuerst die Komponenten modelliert, die später im Gehäuse Platz finden sollen.

Der Reflektor

Anhand der nachkonstruierten LED-Matrix wird das Reflektorraster erstellt. Hierbei müssen die Fertigungstechnischen Eigenschaften des 3D-Fräsens berücksichtigt werden. Der Block aus PU-Schaum kann nur von einer Seite bearbeitet werden und bleibt dementsprechend auf der anderen Seite plan.
Der Rand rings um die durch Reflektoren definierte Fläche dient später der Verklebung mit der Scheibe. Die S-Förmigen Positionierungshilfen gewährleisten präzises und gleichzeitig einfaches Platzieren der Teile.

Die Streuscheibe

Passend zum Reflektorraster wird eine Streuscheibe entworfen, welche an den entsprechenden Stellen von 3 auf 1 mm Materialstärke gefräst wird. Im gleichen Arbeitsschritt werden die Gegenstücke zu den Positionsführungen des Reflektorblocks abgetragen. Die umlaufende Ausfräsung dient beim Zusammenbau dem Ausgleich der Differenzen beim Tiefziehen der Rückschale.

Die Rückschale

Um den Bauteilen Platz und der Nutzerhand Halt zu geben, bedarf es einer Rückschale. Unter Anwendung des Tiefziehverfahrens lässt sich für jedes Projekt schnell und kostengünstig eine Schale produzieren. Hierzu wird die entsprechende Tiefziehform am Rechner erzeugt, gefräst und anschließend mit 2 mm starkem Polystyrol tiefgezogen. Abschließend wird das überschüssige Material mit einem Bohrmaschinen-Kreissägeblatt abgeschnitten und die Kanten mit feinem Sandpapier entgratet.
Als Schnittstelle nach außen kommen je nach Projekt bis zu zwei Netzwerkbuchsen zum Einsatz. Hierfür werden in der Form Vertiefungen vorgesehen, die bei Bedarf freigeschnitten werden können.
Um die Rückschale schließen und auch wieder öffnen zu können, wird sie mit Schrauben befestigt. Deren Köpfe werden später jeweils in die dafür an den vier Ecken vorgesehenen Mulden versenkt. Die notwendigen Löcher werden gebohrt.

Befestigung der Rückschale: Mutterhalter

Damit das Material des Reflektorblocks, welcher der Schale den nötigen halt geben wird nicht nach wenigen Gehäuseöffnungen zerstört wird, werden Maschinenschrauben mit Feingewinde zum Einsatz kommen. Das Benötigte Gegenstück bildet pro Schraube eine Mutter, welche in ein maßgenaues Kunststoffdruckteil eingesetzt und anschließend rückseitig auf alle vier Ecken des Reflektorrasters geklebt wird. Winkel und Abmessungen der Mutternaufnahme werden anhand der vorhandenen 3D-Daten bestimmt, was die Konstruktion einfach macht. Da die fertigen Teile relativ präzise auf den Reflektorblock geklebt werden müssen, gibt es auch hier Positionsmarken. Als Orientierungspunkte dienen die Ecken des Schaumblocks und die jeweils nächste LED.

Ausblick

Nach kurzer Internetrecherche und im Laufe des Projekts generell wurde schnell deutlich, dass das Interesse am Bau einer LED-Matrix und der Steuerung mit dem Arduino groß ist. Einerseits ist es eine gute Programmierübung, andererseits ist der Effekt eindrucksvoll und realitätsnah. Oftmals bleiben die Bauteile aber in Rohform, weil es an Erfahrung im Modellbau oder schlichtweg an der Zeit mangelt.
Das Konzept erwies sich als schlüssig und der Zusammenbau wurde von jedem der Teilnehmer ohne große Hilfe bewerkstelligt. Der nächste Schritt wäre nun, eine Anleitung in Form eines Bebilderten Tutorials zu schreiben und die 3D-Daten der Bauteile zur Verfügung zu stellen. So könnte jeder, der die Technik zur Verfügung hat, selbst ein kompaktes Gehäuse für seine eigene LED-Matrix bauen, welches darüber hinaus noch Platz für zahlreiche Komponenten bietet – für studentische Projekte optimal.

Noch etwas weiter gedacht könnte das Gehäuse als fertiger Bausatz, gespickt mit einer Fülle von Sensoren und Aktoren, wie eine Spielekonsole funktionieren. Mit dem Unterschied, dass man seine eigenen Programme schreiben, austauschen und seine eigenen Hardwaremodifikationen vornehmen kann. Theoretisch bieten dies natürlich auch Smartphones. Doch das Erlebnis der Technik und die Auseinandersetzung mit dem Thema Programmieren und Hardware auf elementarer Basis ist greifbarer – ein Smartphone ist eine Blackbox. Wie in Maeda in seinem Vortrag „The Neue Craft“ resümiert: Das Handwerk selbst ist ein spirituelles Erlebnis. Der unmittelbare, unverfälschte und fast natürliche Herstellungsprozess ließ die Kursteilnehmer erkennen, dass es der Kenntnis der wesentlichen Materie bedarf, um ein weitläufiges Verständnis des Gesamtbildes zu erlangen und schlussendlich auch ein gutes Produkt zu kreieren.

Downloads

Die Streuscheibe

Der Reflektor

Die Mutternaufnahme

Die Rückschale (Positivform zum Tiefziehen. Die Rückschale muss anschließend auf 60mm Höhe zurechtgeschnitten werden.)

13.05.2013 | Adrian Wendt |