De meest voorkomende fouten bij behuizingen

In het vorige hoofdstuk heb je gezien dat een eerste proefprint vooral bedoeld is om informatie te verzamelen. Je meet, past, kijkt waar iets klemt en verandert daarna één onderdeel tegelijk.

Dat is belangrijk, want bij een behuizing gaat er zelden maar één ding mis.

Een printplaat kan prima in de behuizing passen, terwijl de USB-stekker niet meer bereikbaar is. Een deksel kan netjes sluiten, maar zo strak zitten dat je het alleen met een schroevendraaier weer open krijgt. Een ventilatieopening kan er goed uitzien, maar precies op de plaats zitten waar aan de binnenkant een schroefpilaar staat.

Dit soort fouten horen bij het ontwerpen.

Het doel is daarom niet om iedere fout te voorkomen. Het doel is dat je fouten leert herkennen voordat je tientallen uren gaat aanpassen zonder te weten wat het werkelijke probleem is.

In dit hoofdstuk kijken we naar de fouten die bij zelf ontworpen behuizingen steeds weer terugkomen.

Alles precies op maat ontwerpen

Een van de meest voorkomende beginnersfouten is heel logisch:

Als een printplaat 50 millimeter breed is, maak ik de ruimte binnenin ook 50 millimeter breed.

Op het scherm lijkt dat correct.

In de praktijk meestal niet.

Een geprinte maat is nooit volkomen exact. Ook een printplaat, sensor of connector heeft kleine maatafwijkingen. Bovendien kan een wand iets naar binnen trekken of kan er een kleine verdikking ontstaan op de eerste printlagen.

Daarom heb je speling nodig.

Speling is de extra ruimte tussen twee onderdelen die ervoor zorgt dat ze ook in de praktijk in elkaar passen.

Stel dat een printplaat 50,0 millimeter breed is. Een binnenruimte van bijvoorbeeld 50,5 of 51,0 millimeter kan veel bruikbaarder zijn dan exact 50,0 millimeter.

Hoeveel extra ruimte je nodig hebt, hangt af van je printer, materiaal en toepassing.

Dat is precies waarom proefpassen zo belangrijk is.

Herkenbare symptomen

Je ziet deze fout vaak terug wanneer:

• een printplaat alleen met kracht in de behuizing past;
• een deksel op het scherm goed past maar na het printen klemt;
• een schuifdeksel halverwege vastloopt;
• pennen niet in gaten passen;
• onderdelen na montage onder spanning staan.

Wat je controleert

Meet niet alleen het onderdeel.

Meet ook de werkelijk geprinte ruimte.

Dat verschil vertelt je veel meer dan alleen opnieuw naar Tinkercad kijken.

Wanddikte als vanzelfsprekend beschouwen

Een andere veelvoorkomende fout is dat de buitenmaat klopt, maar de binnenruimte niet.

Stel dat je een behuizing maakt van:

• 80 mm breed;
• 60 mm diep;
• 30 mm hoog.

Met wanden van 2 millimeter houd je binnenin geen 80 bij 60 millimeter over.

De binnenmaat wordt ongeveer:

• 76 mm breed;
• 56 mm diep.

Bij een wanddikte van 3 millimeter blijft nog minder ruimte over.

Dat klinkt eenvoudig, maar tijdens het ontwerpen raak je dit gemakkelijk uit het oog.

Vooral wanneer je later verstevigingen, schroefpilaren of geleiderails toevoegt.

De bruikbare binnenruimte wordt daardoor steeds kleiner.

Kijk niet alleen naar de buitenkant

Een handige gewoonte is daarom om bij iedere belangrijke wijziging opnieuw te controleren:

• hoe groot is mijn onderdeel;
• hoeveel vrije ruimte heb ik nodig;
• wat is op dit moment werkelijk de binnenmaat?

Zo voorkom je dat een behuizing er aan de buitenkant netjes uitziet, maar van binnen onbruikbaar wordt.

Alleen de printplaat meten

Een printplaat is bijna nooit alleen een vlak rechthoekig stukje materiaal.

Er zitten onderdelen op.

Denk aan:

• USB-connectors;
• pinheaders;
• relais;
• condensatoren;
• antennes;
• drukknoppen;
• sensoren;
• schroefklemmen;
• kabelstekkers.

Vooral connectoren worden vaak vergeten.

Je meet bijvoorbeeld netjes de afmetingen van een ESP32-bordje en maakt daar ruimte voor. Na het printen blijkt dat het bordje past, maar dat je geen USB-kabel kunt aansluiten.

Niet omdat de connector zelf te groot is.

Maar omdat de stekker buiten de connector ook ruimte nodig heeft.

Denk in bewegingsruimte

Een kabel wordt niet magisch in een connector geplaatst.

Je moet hem erin kunnen steken.

Dat betekent dat er ruimte nodig is vóór de connector.

Hetzelfde geldt voor een SD-kaart, jumper, drukknop of schroefklem.

Vraag daarom niet alleen:

Past het onderdeel?

Maar ook:

Kan ik het onderdeel gebruiken als de behuizing dicht is?

Dat is een veel betere ontwerpvraag.

Uitsparingen precies gelijk maken aan de connector

Stel dat een USB-C-connector ongeveer 9 millimeter breed is.

Dan lijkt een opening van 9 millimeter logisch.

Maar de kunststof behuizing van de stekker kan breder zijn. Daarnaast kan de connector op de printplaat een fractie verschoven zitten.

Daardoor kan een opening die theoretisch klopt in de praktijk toch te klein zijn.

Maak daarom een uitsparing meestal iets groter dan alleen de metalen connector.

Controleer met de kabel die je daadwerkelijk wilt gebruiken.

Niet iedere USB-stekker heeft namelijk dezelfde buitenmaat.

Een eenvoudige proef

Voordat je een hele behuizing opnieuw print, kun je een klein stukje wand maken met alleen de connectoropening.

Print bijvoorbeeld een plaatje van enkele millimeters dik met daarin:

• één USB-opening;
• één schakelaaropening;
• of één kabeldoorvoer.

Zo'n kleine testprint kost weinig materiaal en is veel sneller klaar dan een complete behuizing.

Vergeten dat een deksel ruimte nodig heeft

Een deksel neemt zelf ook ruimte in.

Vooral bij schuifdeksels, klikverbindingen en overlappende randen kan dit gemakkelijk fout gaan.

Je maakt bijvoorbeeld een nette binnenbak. Daarna ontwerp je een deksel met een rand die in de behuizing valt.

Op dat moment wordt die rand onderdeel van de binnenruimte.

Als daar toevallig een printplaat of connector zit, botst het deksel ermee.

Controleer daarom twee situaties

Kijk in Tinkercad naar de behuizing:

• zonder deksel;
• met het deksel volledig gemonteerd.

De tweede situatie is uiteindelijk degene die telt.

Schroefpilaren op de verkeerde plaats

Schroefpilaren lijken eenvoudige cilinders, maar ze veroorzaken opvallend vaak problemen.

Een pilaar kan:

• tegen een component aanlopen;
• onder een soldeerpunt zitten;
• een connector blokkeren;
• te dicht tegen een wand staan;
• te dun zijn;
• of precies onder een kabel terechtkomen.

Vooral de onderkant van een printplaat wordt daarbij vergeten.

Daar kunnen uitstekende soldeerpunten of pinnen zitten.

Een printplaat die bovenop de pilaar lijkt te passen, kan daardoor toch scheef komen te liggen.

Kijk ook onder de printplaat

Bij De Werkplaats kun je dit eenvoudig controleren door de printplaat eens op zijn kop te bekijken.

Let op:

• uitstekende aansluitpinnen;
• soldeerverbindingen;
• componentpootjes;
• connectorpennen;
• metalen behuizingen.

Meet ook hoeveel vrije ruimte je onder de printplaat nodig hebt.

Een paar millimeter extra hoogte kan later veel problemen voorkomen.

Gaten ontwerpen vanuit de verkeerde maat

Bij ronde gaten ontstaat vaak verwarring tussen diameter en straal.

De diameter is de volledige breedte van een cirkel.

De straal is de helft daarvan.

Een gat voor een M3-schroef heeft dus niet automatisch een diameter van exact 3 millimeter nodig.

Als de schroef vrij door het gat moet bewegen, heb je meestal extra speling nodig.

Als de schroef juist in het kunststof moet grijpen, gelden andere afmetingen.

En wanneer je een heat-set insert gebruikt, heb je weer een andere maat nodig.

Eén maat bestaat dus niet.

De functie van het gat bepaalt de maat.

Een gat is na het printen vaak kleiner

Horizontaal geprinte gaten komen bovendien regelmatig iets kleiner uit dan getekend.

Dat heeft te maken met de manier waarop een printer gebogen lijnen en binnenwanden opbouwt.

Daarom is het verstandig om kritische gaten eerst te testen.

Een klein testblok met bijvoorbeeld gaten van:

• 2,8 mm;
• 3,0 mm;
• 3,2 mm;
• 3,4 mm;

kan je snel vertellen welke maat op jouw printer het beste werkt.

Bewaar zo'n teststuk.

Het wordt daarna onderdeel van je eigen ontwerpreferentie voor die printer.

Te dunne wanden maken

Dunne wanden besparen materiaal en printtijd.

Totdat ze breken.

Vooral rond:

• schroefgaten;
• klikverbindingen;
• grote uitsparingen;
• connectoren;
• ventilatiesleuven;

kan een dunne wand snel te zwak worden.

Het probleem zit bovendien niet alleen in de wanddikte zelf.

Een lange vlakke wand zonder ondersteuning kan veel flexibeler zijn dan een korte wand met dezelfde dikte.

Daarom gebruik je soms verstevigingsribben.

Een verstevigingsrib is een smalle extra wand die een groter vlak stijver maakt zonder dat je de hele behuizing veel dikker hoeft te maken.

Te dikke wanden maken

Het tegenovergestelde komt ook voor.

Wanneer iets stevig moet worden, voelt meer materiaal veilig.

Maar extreem dikke wanden hebben nadelen:

• langere printtijd;
• meer materiaalgebruik;
• minder binnenruimte;
• meer kans op vervorming;
• onnodig zwaar ontwerp.

Sterkte komt niet alleen uit massa.

Vorm, ribben, afrondingen en de richting waarin onderdelen worden belast zijn minstens zo belangrijk.

Scherpe binnenhoeken overal gebruiken

In Tinkercad is het gemakkelijk om alles uit rechthoekige blokken op te bouwen.

Daardoor ontstaan vanzelf veel hoeken van precies 90 graden.

Dat kan prima werken.

Maar bij onderdelen die kracht moeten opnemen, kan een scherpe overgang een zwakke plek worden.

Denk bijvoorbeeld aan een schroefpilaar die abrupt uit de bodem omhoogkomt.

Een kleine verbreding of steunrib aan de onderkant kan zo'n verbinding veel sterker maken.

Je hoeft niet iedere hoek af te ronden.

Gebruik versteviging vooral waar werkelijk kracht komt.

Ventilatieopeningen maken zonder naar de binnenkant te kijken

In een eerdere fase heb je ventilatieopeningen ontworpen.

Daarbij is de verleiding groot om vooral naar het patroon aan de buitenkant te kijken.

Netjes verdeeld.

Mooi symmetrisch.

Maar een ventilatieopening heeft ook een binnenkant.

Daar kan zich bevinden:

• een schroefpilaar;
• een kabel;
• een printplaatrand;
• een sensor;
• een bevestigingsclip.

Controleer daarom altijd waar de openingen uitkomen.

Voor een temperatuursensor is dat extra belangrijk.

Een ventilatieopening vlak naast een warmteproducerende spanningsregelaar kan bijvoorbeeld een vertekend meetresultaat opleveren.

Ventilatie verwarren met koeling

Openingen in een behuizing betekenen niet automatisch dat een onderdeel goed wordt gekoeld.

Lucht moet kunnen bewegen.

Wanneer je alleen bovenin een paar sleuven maakt, maar nergens koude lucht kan binnenkomen, blijft de luchtstroming beperkt.

Bij lichte elektronica is dat vaak geen probleem.

Maar wanneer warmte werkelijk belangrijk wordt, moet je nadenken over:

• waar lucht binnenkomt;
• waar warme lucht weg kan;
• waar de warmtebron zit;
• hoe de behuizing wordt gemonteerd.

Dat is een ander probleem dan alleen een mooi rooster tekenen.

Geen rekening houden met de printoriëntatie

Een ontwerp kan geometrisch correct zijn en toch lastig te printen.

Dat gebeurt bijvoorbeeld wanneer je:

• grote horizontale overhangen gebruikt;
• een gesloten plafond boven een holle ruimte maakt;
• kliklippen in een ongunstige richting print;
• gaten zo positioneert dat veel support nodig is.

De vorm van een behuizing en de manier waarop hij wordt geprint horen daarom bij elkaar.

Vraag tijdens het ontwerpen regelmatig:

Op welk vlak leg ik dit straks op het printbed?

Daarmee zie je veel problemen eerder.

Support zien als oplossing voor alles

Supportmateriaal kan moeilijke vormen printbaar maken.

Maar support heeft ook nadelen.

Het kost materiaal, printtijd en kan zichtbare sporen achterlaten.

Binnen in een smalle behuizing kan support bovendien lastig te verwijderen zijn.

Daarom is een ontwerp dat zonder support geprint kan worden vaak prettiger.

Niet omdat support verboden is, maar omdat iedere extra nabewerking een nieuwe plek is waar iets kan misgaan.

Te weinig ruimte rond kabels

Een draad is dun.

Een kabel met isolatie, stekker en buigradius is dat niet.

De buigradius is de ruimte die een kabel nodig heeft om van richting te veranderen zonder scherp geknikt te worden.

Dat wordt vooral belangrijk bij:

• USB-kabels;
• voedingskabels;
• netwerkkabels;
• sensorkabels;
• kabels met trekontlasting.

Je kunt dus een connector perfect bereikbaar maken en alsnog ontdekken dat de kabel tegen het deksel drukt.

Bekijk daarom ook de denkbeeldige route van de kabel door de behuizing.

Geen trekontlasting voorzien

Wanneer een kabel rechtstreeks door een gat naar buiten loopt, kan iedere beweging aan die kabel uiteindelijk op de soldeerverbinding terechtkomen.

Een trekontlasting voorkomt dat.

Dat kan bijvoorbeeld bestaan uit:

• een kabelklem;
• een sleuf;
• een tiewrap-bevestiging;
• een verdikte kabeldoorvoer;
• een wartel.

Voor een eenvoudige sensorbehuizing is dat misschien niet altijd nodig.

Maar zodra een kabel regelmatig wordt bewogen, is het verstandig daarover na te denken.

Vergeten hoe je het apparaat gaat monteren

Een behuizing staat niet altijd los op tafel.

Misschien wil je hem:

• tegen een muur schroeven;
• onder een plank hangen;
• met dubbelzijdige tape bevestigen;
• aan een DIN-rail monteren;
• met tie-wraps aan een buis vastzetten.

Wanneer je pas na het printen bedenkt hoe je de behuizing wilt bevestigen, moet je vaak opnieuw ontwerpen.

Neem montage daarom vroeg mee.

Ook montagegaten hebben ruimte nodig voor een schroevendraaier.

Dat laatste wordt opvallend vaak vergeten.

Een schroefgat kan perfect zitten terwijl je er met geen enkel gereedschap meer bij kunt.

Het gereedschap vergeten

Dit is een goede algemene ontwerpregel:

Ontwerp niet alleen ruimte voor het onderdeel, maar ook voor je vingers en gereedschap.

Een schroef kan bereikbaar lijken totdat er een printplaat boven zit.

Een klemconnector kan prima passen totdat je er een schroevendraaier in moet steken.

Een stekker kan losgemaakt worden, maar alleen als je de hele printplaat eerst uitbouwt.

Soms is dat acceptabel.

Maar het moet een bewuste keuze zijn.

Een behuizing te vroeg mooi willen maken

Afrondingen, logo's, tekst en decoratieve ventilatiepatronen kunnen een behuizing veel netter maken.

Maar ze lossen geen functioneel probleem op.

Wanneer je ontwerp nog niet goed past, maken zulke details het aanpassen juist moeilijker.

Werk daarom liever in deze volgorde:

• maatvoering;
• montage;
• aansluitingen;
• deksel;
• sterkte;
• printbaarheid;
• uiterlijk.

Een eenvoudige lelijke proefbehuizing die goed past is waardevoller dan een prachtig ontwerp waar de printplaat niet in kan.

Alles tegelijk aanpassen

Na een mislukte proefprint zie je misschien vijf dingen die beter kunnen.

De natuurlijke reactie is om ze allemaal meteen te veranderen.

Dat lijkt efficiënt.

Maar daarmee verlies je informatie.

Stel dat je tegelijkertijd:

• een opening 0,5 millimeter groter maakt;
• de printplaat 1 millimeter verplaatst;
• de wand dunner maakt;
• de schroefpilaar verschuift;
• en de tolerantie van het deksel aanpast.

Na de volgende print werkt alles.

Prima.

Maar je weet niet welke veranderingen werkelijk nodig waren.

Nog lastiger wordt het wanneer de nieuwe print slechter is.

Dan weet je ook niet welke aanpassing daarvoor verantwoordelijk was.

Daarom blijft dezelfde regel belangrijk:

Verander bij voorkeur één relevante eigenschap tegelijk.

Vooral wanneer je nog probeert te begrijpen waar de fout zit.

Alleen naar Tinkercad kijken

Een digitaal model is een hulpmiddel.

Geen bewijs dat iets in de echte wereld past.

De werkelijkheid bestaat uit:

• werkelijke componentmaten;
• printerafwijkingen;
• materiaalgedrag;
• kabels;
• schroeven;
• gereedschap;
• menselijke vingers.

Daarom moet je tussen ontwerp en werkelijkheid blijven wisselen.

Ontwerpen.

Printen.

Meten.

Passen.

Waarnemen.

Aanpassen.

Dat is geen inefficiënte werkwijze.

Dat is de werkwijze.

De verkeerde fout proberen op te lossen

Misschien klemt een deksel.

Dan lijkt de oplossing duidelijk: meer speling.

Maar het kan ook zijn dat de behuizing tijdens het printen iets kromgetrokken is.

Of dat alleen de eerste laag te breed is geworden.

Of dat één hoek van het deksel vervormd is.

Het zichtbare probleem is dan:

Het deksel past niet.

Maar de werkelijke oorzaak kan ergens anders zitten.

Dit verschil is belangrijk.

Een symptoom is wat je waarneemt.

Een oorzaak is waardoor het gebeurt.

Goed ontwerpen betekent steeds proberen die twee uit elkaar te houden.

Een praktisch voorbeeld uit De Werkplaats

Stel dat je een kleine behuizing maakt voor een ESP32 met een temperatuursensor.

Na de eerste proefprint ontdek je het volgende:

• de ESP32 past;
• de USB-kabel past niet door de opening;
• het deksel klemt;
• één schroefpilaar raakt een soldeerverbinding;
• de sensor zit dicht tegen de ESP32.

Het is verleidelijk om de hele behuizing opnieuw op te bouwen.

Dat hoeft niet.

Je kunt eerst vaststellen wat voor soort fouten je hebt.

USB-opening

Waarschijnlijk maat- of positioneringsprobleem.

Deksel

Waarschijnlijk tolerantieprobleem.

Schroefpilaar

Positioneringsprobleem.

Sensor naast ESP32

Functioneel ontwerpprobleem.

Dat laatste is belangrijk.

De sensor kan mechanisch uitstekend passen en toch op een slechte plek zitten omdat de ESP32 warmte produceert.

Niet iedere ontwerpfout is dus een maatfout.

Maak fouten zichtbaar

Een eenvoudige manier om beter te ontwerpen is fouten letterlijk op te schrijven.

Bijvoorbeeld:

Zo'n eenvoudig overzicht voorkomt dat je willekeurig gaat wijzigen.

Bovendien kun je later terugzien waarom je een bepaalde ontwerpkeuze hebt gemaakt.

Fouten zijn ontwerpinformatie

Een mislukte proefprint voelt misschien als verspild filament.

Maar als je er iets concreets uit leert, is dat materiaal niet verspild.

Je hebt bijvoorbeeld geleerd:

• welke tolerantie jouw printer nodig heeft;
• hoeveel ruimte een bepaalde USB-stekker inneemt;
• hoe groot je M3-gaten werkelijk moeten zijn;
• hoe dun je een kliklip veilig kunt maken;
• hoeveel ruimte een kabel nodig heeft.

Die kennis gebruik je in ieder volgend ontwerp opnieuw.

Na een aantal projecten hoef je daardoor steeds minder proefprints te maken.

Niet omdat je geen fouten meer maakt, maar omdat je al een verzameling bewezen maten en oplossingen hebt opgebouwd.

Wat je uit dit hoofdstuk kunt meenemen

De meest voorkomende fouten bij behuizingen ontstaan niet doordat Tinkercad ingewikkeld is. Ze ontstaan vooral doordat een digitaal model eenvoudiger is dan de werkelijkheid.

Onthoud vooral:

• ontwerp onderdelen niet zonder speling exact op nominale maat;
• controleer zowel buitenmaten als werkelijke binnenruimte;
• meet niet alleen de printplaat, maar ook connectoren en uitstekende onderdelen;
• geef stekkers, kabels, vingers en gereedschap voldoende ruimte;
• controleer wat er boven én onder een printplaat zit;
• ontwerp gaten op basis van hun functie;
• gebruik proefstukjes voor kritische gaten en passingen;
• controleer of schroefpilaren en ventilatieopeningen nergens mee botsen;
• houd rekening met printoriëntatie en support;
• denk vooraf na over montage en kabeldoorvoer;
• verander bij problemen niet automatisch alles tegelijk;
• maak onderscheid tussen het zichtbare symptoom en de werkelijke oorzaak.

Dat laatste wordt in het volgende hoofdstuk belangrijk.

Want weten welke fouten vaak voorkomen helpt je om sneller te kijken, maar het vertelt je nog niet automatisch waarom jouw specifieke ontwerp niet werkt.

Daarom gaan we hierna een vaste methode gebruiken om stap voor stap naar de oorzaak te zoeken: Zo zoek je systematisch naar een ontwerpfout.