Introductie — Van los elektronica-project naar een echte behuizing

Een elektronica-project begint zelden netjes.

Op je werkbank ligt een ESP32. Daarnaast een sensor, een paar jumperdraden en misschien een klein display. Alles werkt. De meetwaarden verschijnen zoals verwacht en je code doet wat hij moet doen.

Technisch gezien is het project klaar.

Maar zodra je het wilt ophangen, neerzetten of langere tijd gebruiken, ontstaat er een nieuw probleem.

Waar laat je al die onderdelen?

Een printplaat die los op tafel ligt, is prima tijdens het testen. Voor dagelijks gebruik is dat minder handig. Draden kunnen losraken, metalen voorwerpen kunnen kortsluiting veroorzaken en een sensor kan per ongeluk beschadigd raken. Bovendien ziet een verzameling printplaten en kabels er al snel uit als een experiment dat nooit helemaal is afgemaakt.

Een behuizing verandert dat.

Niet omdat een project er daardoor alleen mooier uitziet, maar omdat een goede behuizing onderdeel wordt van de techniek zelf.

In deze gids ga je daarom niet zomaar een doosje tekenen. Je leert hoe je in Tinkercad stap voor stap een behuizing ontwerpt die past bij de elektronica die erin moet.

Een werkend prototype is nog geen eindproduct

Tijdens het bouwen van een elektronica-project is bereikbaarheid juist handig.

Je wilt gemakkelijk bij:

de USB-aansluiting;
de resetknop;
de bedrading;
meetpunten;
sensoren;
schroefklemmen.

Daarom ligt alles tijdens het testen meestal open op tafel.

Neem bijvoorbeeld een eenvoudige temperatuurmeter uit De Werkplaats. Je hebt een ESP32 aangesloten op een SHT41-sensor. Misschien gebruik je daarnaast een klein display.

Tijdens het programmeren is het handig dat alles los ligt. Als de sensor geen meetwaarde geeft, kun je meteen controleren of SDA en SCL goed zijn aangesloten. Als de ESP32 niet programmeert, kun je zonder moeite bij de USB-poort.

Maar stel je voor dat je deze temperatuurmeter daarna permanent in je werkkamer wilt neerzetten.

Dan veranderen de eisen.

Je wilt niet meer iedere dag bij alle draden kunnen. Je wilt juist dat ze beschermd zijn.

Dat is het moment waarop het project van prototype naar apparaat begint te veranderen.

Een prototype is een uitvoering waarmee je onderzoekt of een idee werkt. Een apparaat is iets dat je daarna daadwerkelijk wilt gebruiken.

De elektronica kan daarbij precies hetzelfde blijven.

Alleen de omstandigheden veranderen.

Waarom een behuizing meer doet dan onderdelen verbergen

Het is verleidelijk om een behuizing te zien als het laatste cosmetische onderdeel van een project.

Eerst de elektronica.

Dan de software.

En als alles werkt, nog even een doosje eromheen.

In de praktijk werkt het beter om een behuizing als technisch onderdeel van het ontwerp te beschouwen.

Een behuizing kan bijvoorbeeld:

printplaten beschermen tegen aanraken;
voorkomen dat bedrading loskomt;
een vaste positie aan sensoren geven;
kabels geleiden;
knoppen bereikbaar houden;
aansluitingen toegankelijk maken;
lucht langs een temperatuursensor laten stromen;
licht bij een lichtsensor laten komen;
onderdelen stevig op hun plaats houden.

Sommige van deze functies kunnen elkaar zelfs tegenspreken.

Een temperatuursensor wil je bijvoorbeeld beschermen, maar je wilt hem niet volledig opsluiten.

Als je een SHT41 in een vrijwel luchtdichte kunststof doos stopt, meet hij niet meer goed de temperatuur van de kamer. Hij meet vooral de omstandigheden binnen in die doos.

En daar kan de ESP32 zelf invloed op hebben.

Dat betekent dat je tijdens het ontwerpen voortdurend een afweging maakt:

Wat moet de behuizing tegenhouden, en wat moet hij juist doorlaten?

Dat is een veel nuttigere vraag dan:

Hoe maak ik een mooi kastje?

Eerst kijken, daarna tekenen

Wanneer je voor het eerst Tinkercad opent, is de neiging groot om meteen een rechthoek op het werkvlak te zetten.

Dat gaan we later ook doen.

Maar nog niet.

Een bruikbare behuizing begint namelijk niet in Tinkercad.

Hij begint op je werkbank.

Leg de onderdelen die je wilt inbouwen eens voor je neer.

Bijvoorbeeld:

een ESP32;
een sensorprint;
een display;
een drukknop;
een voedingskabel.

Kijk vervolgens niet naar wat die onderdelen zijn, maar naar wat ze nodig hebben.

De ESP32 heeft ruimte nodig.

De USB-aansluiting moet misschien bereikbaar blijven.

De sensor moet contact houden met de omgeving.

Het display moet door een opening zichtbaar zijn.

Een knop moet van buitenaf bediend kunnen worden.

Een kabel moet ergens naar binnen of naar buiten.

Je bent op dat moment eigenlijk al aan het ontwerpen.

Alleen nog zonder computer.

Probeer het eerst te voorspellen

Voordat je verder leest, kun je een kleine oefening doen.

Stel dat je een ESP32 met een temperatuursensor in één volledig gesloten kunststof kastje plaatst.

Voorspel eerst wat er gebeurt.

Denk je dat de temperatuurmeting:

nauwkeuriger wordt;
ongeveer hetzelfde blijft;
langzaam te hoog kan worden?

De derde mogelijkheid is meestal de interessantste.

Een ESP32 gebruikt energie en produceert daardoor een kleine hoeveelheid warmte. In een open proefopstelling verdwijnt die warmte gemakkelijk in de omgeving.

In een kleine gesloten behuizing veel minder.

Een paar graden verschil hoeft daarbij helemaal niet onmogelijk te zijn.

De fout zit dan niet in de sensor.

De sensor kan precies meten wat er rondom hem gebeurt.

Alleen heb jij onbedoeld een andere omgeving voor hem gemaakt.

Dat is een belangrijk uitgangspunt voor de rest van deze gids:

Wanneer een ontwerp niet doet wat je verwacht, is dat geen mislukking. Het vertelt je iets over het ontwerp.

Wat Tinkercad hierbij voor je doet

Voor het ontwerpen van een behuizing heb je een programma nodig waarin je vormen in drie dimensies kunt combineren.

Zo'n programma wordt meestal een 3D-CAD-programma genoemd.

CAD staat voor Computer-Aided Design: ontwerpen met behulp van een computer.

Professionele CAD-programma's kunnen behoorlijk uitgebreid zijn. Je kunt er complexe machines, technische tekeningen en complete assemblages mee ontwerpen.

Voor de behuizingen in deze gids hebben we dat niet nodig.

We gebruiken Tinkercad.

Tinkercad werkt grotendeels met eenvoudige vormen.

Je begint bijvoorbeeld met een blok.

Daar voeg je een tweede blok aan toe.

Of je gebruikt een vorm als uitsparing.

Door vormen te combineren ontstaat langzaam het onderdeel dat je wilt maken.

Dat past goed bij onze manier van werken.

We veranderen steeds één onderdeel tegelijk en kijken daarna wat het effect daarvan is.

Eerst een buitenvorm.

Dan een holle binnenkant.

Daarna bijvoorbeeld een opening voor USB.

Vervolgens montagepunten.

En pas daarna details.

Zo blijft duidelijk waarom iedere vorm aanwezig is.

Van eenvoudige vormen naar een bruikbaar onderdeel

Een behuizing ziet er misschien ingewikkeld uit, maar veel ontwerpen kun je terugbrengen tot een verzameling eenvoudige vormen.

Neem een rechthoekige sensorbehuizing.

In gedachten kun je die bijvoorbeeld opdelen in:

één groot blok voor de buitenkant;
één iets kleiner blok waarmee je de binnenkant uitholt;
vier cilinders voor schroefpunten;
een rechthoekige uitsparing voor USB;
kleine sleuven voor ventilatie.

Dat klinkt veel eenvoudiger dan:

Ontwerp een complete elektronische behuizing.

En dat is precies het voordeel.

Je hoeft niet in één keer een behuizing te kunnen ontwerpen.

Je hoeft alleen steeds de volgende eenvoudige vorm op de juiste plaats te krijgen.

Meten wordt belangrijker dan tekenen

Bij het ontwerpen van een behuizing is een schuifmaat vaak belangrijker dan de muis waarmee je Tinkercad bedient.

Een model op je beeldscherm kan er perfect uitzien en toch onbruikbaar zijn.

Stel dat je een opening tekent voor een USB-C-stekker.

Op het scherm lijkt de opening groot genoeg.

Na het printen blijkt de stekker er net niet doorheen te passen.

Het ontwerp was grafisch correct.

Maar de maat was verkeerd.

Daarom gaan we in deze gids regelmatig meten.

Niet alleen de lengte en breedte van een printplaat, maar bijvoorbeeld ook:

de hoogte van componenten;
de positie van aansluitingen;
de diameter van een knop;
de dikte van een kabel;
de ruimte die een stekker nodig heeft;
de afstand tussen montagegaten.

Daarna voegen we waar nodig extra ruimte toe.

Die extra ruimte wordt vaak speling genoemd.

Als een printplaat precies 28,0 millimeter breed is, maak je de ruimte in de behuizing meestal niet exact 28,0 millimeter breed.

Een 3D-printer is geen theoretisch perfecte machine.

Ook kunststof heeft kleine maatafwijkingen.

Een beetje speling voorkomt dat een onderdeel dat op papier precies past, in werkelijkheid muurvast komt te zitten.

Hoeveel speling nodig is, gaan we later praktisch onderzoeken.

De 3D-printer bepaalt mee wat je kunt ontwerpen

Een Tinkercad-model bestaat alleen uit digitale vormen.

Uiteindelijk moet je ontwerp ook fysiek gemaakt kunnen worden.

In deze gids gaan we ervan uit dat veel behuizingen met een gewone FDM-3D-printer worden geprint.

FDM staat voor Fused Deposition Modeling.

Daarbij wordt kunststof filament verwarmd en laag voor laag op elkaar gelegd.

Dat productieproces heeft gevolgen voor het ontwerp.

Een wand kan bijvoorbeeld te dun zijn.

Een opening kan iets kleiner uit de printer komen dan je in Tinkercad hebt getekend.

Een horizontaal uitstekend onderdeel kan ondersteuning nodig hebben.

En een deksel dat digitaal perfect aansluit, kan na het printen te strak zitten.

Daarom ontwerpen we niet alleen voor het scherm.

We ontwerpen voor het uiteindelijke voorwerp.

Dat betekent ook dat proefprintjes nuttig zijn.

Je hoeft niet altijd een complete behuizing van enkele uren te printen om te ontdekken of een USB-opening past.

Je kunt ook alleen een klein stukje van de wand met die opening printen.

Dat kost minder materiaal en je krijgt sneller informatie.

Fouten worden meetgegevens

Stel dat je een houder maakt waarin een ESP32 moet schuiven.

Je meet de printplaat.

Breedte: 25,4 millimeter.

Je maakt in Tinkercad een opening van 25,6 millimeter.

Na het printen blijkt de ESP32 er niet in te passen.

Je kunt nu zeggen:

Het ontwerp is mislukt.

Maar je kunt ook iets anders doen.

Meet de geprinte opening.

Misschien blijkt die in werkelijkheid 25,3 millimeter breed te zijn.

Dan weet je iets nieuws.

Je hebt niet alleen ontdekt dat de opening te klein is. Je hebt informatie gekregen over de combinatie van:

jouw ontwerp;
jouw printer;
jouw slicerinstellingen;
jouw filament.

Je kunt vervolgens de opening bijvoorbeeld vergroten naar 26,0 millimeter en opnieuw testen.

Verander daarbij alleen die maat.

Als het daarna wel past, weet je waardoor het verschil kwam.

Zo wordt een fout een meetpunt.

Die manier van werken gebruiken we door de hele gids.

Ontwerp voor onderhoud, niet alleen voor montage

Een project is niet klaar zodra de behuizing dicht kan.

Denk ook eens aan wat er een halfjaar later gebeurt.

Misschien wil je:

andere firmware uploaden;
een sensor vervangen;
bedrading controleren;
een SD-kaart verwijderen;
een knop opnieuw aansluiten;
het apparaat schoonmaken.

Als je daarvoor de complete behuizing moet openbreken, was het ontwerp misschien toch niet zo praktisch.

Daarom kijken we ook naar onderhoud.

Moet een deksel geschroefd worden?

Kan het schuiven?

Gebruik je klikverbindingen?

Moet de USB-poort bereikbaar zijn terwijl de behuizing gesloten blijft?

Er bestaat niet één juist antwoord.

Voor een klein project dat permanent via WiFi wordt bijgewerkt, kan een afgesloten USB-poort prima zijn.

Voor een ontwikkelbord waarop je regelmatig nieuwe software test, is dat waarschijnlijk irritant.

De juiste keuze hangt af van het gebruik.

Een behuizing begint dus met vragen

Voordat je één vorm in Tinkercad tekent, kun je jezelf een paar eenvoudige vragen stellen:

Wat moet erin?
Wat moet bereikbaar blijven?
Wat moet zichtbaar zijn?
Waar komen kabels binnen?
Welke onderdelen produceren warmte?
Welke sensoren moeten contact houden met de buitenwereld?
Hoe ga ik de elektronica vastzetten?
Hoe wil ik de behuizing later weer openen?
Waar komt het apparaat uiteindelijk te staan of hangen?

Je hoeft nog niet overal een antwoord op te hebben.

Het gaat er vooral om dat je ziet dat een behuizing meer is dan zes kunststof wanden.

Het voorbeeld dat we gaan gebruiken

Door deze gids heen zullen we regelmatig terugkomen bij een klein elektronica-project uit De Werkplaats.

Denk aan een ESP32 met een sensor en eventueel een display.

Dat is bewust geen ingewikkelde schakeling.

Juist daardoor kunnen we ons concentreren op het ontwerpen.

We beginnen eenvoudig.

Eerst zorgen we dat de elektronica ergens veilig in past.

Daarna kijken we naar wanddiktes, speling en openingen.

Vervolgens komen zaken aan bod zoals montagepunten, ventilatie, deksels en bevestiging.

Het ontwerp wordt dus niet in één keer gemaakt.

Het groeit mee met wat we leren.

Eerst functie, daarna uiterlijk

Je kunt in Tinkercad allerlei afgeronde hoeken, teksten, logo's en decoratieve vormen toevoegen.

Daar is niets mis mee.

Maar die komen later.

Een mooie behuizing waarin de printplaat niet past, blijft een slechte behuizing.

Een eenvoudige rechthoekige behuizing die:

goed past;
stevig is;
gemakkelijk geprint kan worden;
aansluitingen bereikbaar houdt;
de sensor goed laat functioneren;

is technisch gezien veel interessanter.

Daarom houden we in het begin bewust vast aan eenvoudige vormen.

Wanneer de basis klopt, kunnen we het uiterlijk verbeteren zonder telkens opnieuw fundamentele problemen op te lossen.

Wat je uit dit hoofdstuk kunt meenemen

Een werkend elektronica-project is nog niet automatisch een bruikbaar apparaat.

Een behuizing beschermt niet alleen de elektronica, maar bepaalt ook hoe je project gemonteerd, gebruikt, gekoeld, onderhouden en eventueel gemeten kan worden.

Daarom begint een goed behuizingsontwerp niet in Tinkercad, maar bij de onderdelen op je werkbank.

Kijk eerst wat ieder onderdeel nodig heeft.

Meet wat belangrijk is.

Voorspel wat er zou kunnen gebeuren.

Maak daarna een eenvoudige versie en controleer of je verwachting klopt.

Als iets niet past of anders werkt dan verwacht, verander dan niet meteen het hele ontwerp. Gebruik de afwijking als informatie en pas één onderdeel tegelijk aan.

In het volgende hoofdstuk gaan we een stap verder.

Voordat we zelf vormen gaan tekenen, moeten we namelijk eerst bepalen waar een behuizing eigenlijk aan moet voldoen.

Want wanneer is een behuizing werkelijk goed?

Dat bekijken we in “Wat een goede behuizing eigenlijk is”.