Meten, proefpassen en het ontwerp aanpassen

In het vorige hoofdstuk heb je je ontwerp vanuit Tinkercad geëxporteerd, in de slicer gecontroleerd en een eerste proefprint gemaakt.

Vanaf dat moment heb je iets wat veel waardevoller is dan alleen een mooi 3D-model op het scherm: een fysiek onderdeel dat je kunt meten, vasthouden en testen.

Nu begint een belangrijk deel van het ontwerpen.

Je gaat niet alleen kijken of de behuizing er goed uitziet. Je gaat controleren of hij in de praktijk doet wat je bedacht had.

Past de printplaat?

Kun je de USB-stekker normaal aansluiten?

Sluit het deksel zonder geweld?

Staan de schroefgaten werkelijk op de juiste plaats?

En misschien nog belangrijker: als iets niet klopt, kun je dan achterhalen waarom?

Dat is het onderwerp van dit hoofdstuk.

Een proefprint is een meetinstrument

Een eerste proefprint hoeft niet perfect te zijn.

Dat hebben we in het vorige hoofdstuk al gezien.

Het doel van zo'n print is vooral om informatie te verzamelen.

Je wilt bijvoorbeeld weten:

klopt de binnenmaat;
past de elektronica zonder spanning;
zijn connectoren bereikbaar;
zijn schroefgaten goed uitgelijnd;
is er voldoende ruimte voor kabels;
werkt het deksel zoals bedoeld;
voelt de behuizing stevig genoeg.

Daarmee verandert je manier van kijken.

Je beoordeelt de print niet met:

Is hij mooi?

maar met:

Wat vertelt deze print mij over mijn ontwerp?

Dat verschil is belangrijk.

Een print met een verkeerde connectoropening kan nog steeds een uitstekende proefprint zijn als je daardoor precies ontdekt hoeveel je ontwerp moet veranderen.

Begin niet meteen met vijlen en boren

Stel dat de USB-connector net niet door de opening past.

Je kunt dan natuurlijk een vijl pakken en de opening wat groter maken.

Voor een eenmalig project kan dat soms prima zijn.

Maar doe dat niet voordat je hebt gemeten wat er mis is.

Als je meteen materiaal verwijdert, weet je achteraf misschien alleen:

Na wat vijlen paste hij.

Daar leer je weinig van voor de volgende print.

Meet daarom eerst.

Bijvoorbeeld:

opening ontworpen: 12,0 mm;
opening geprint: 11,7 mm;
connector gemeten: 11,8 mm;
gewenste vrije ruimte: ongeveer 0,3 mm per zijde.

Dan kun je een onderbouwde aanpassing maken.

Dat is veel nuttiger dan op gevoel een millimeter toevoegen.

Meet het echte onderdeel opnieuw

Wanneer een onderdeel niet past, controleer dan eerst of je oorspronkelijke meting wel klopte.

Dat klinkt logisch, maar hier ontstaan verrassend veel fouten.

Een printplaat heeft bijvoorbeeld niet altijd overal dezelfde buitenmaat.

Er kunnen uitsteken:

connectoren;
soldeerpennen;
schakelaars;
antennes;
stekkerbehuizingen;
componenten langs de rand.

Stel dat je een ESP32-print meet als 51 × 28 millimeter.

Dat kan voor de printplaat zelf correct zijn.

Maar als de USB-connector aan de zijkant iets uitsteekt, is de werkelijke benodigde ruimte groter.

Meet daarom niet alleen de kale printplaat.

Meet het geheel zoals het straks in de behuizing zit.

Een schuifmaat maakt meten veel gemakkelijker

Voor eenvoudig werk kun je een liniaal gebruiken.

Maar bij behuizingen werk je vaak met verschillen van enkele tienden van millimeters.

Dan is een schuifmaat veel handiger.

Een schuifmaat kun je onder andere gebruiken voor:

buitenmaten;
binnenmaten;
diameters;
diktes;
dieptes.

Digitale schuifmaten zijn voor dit soort werk prettig omdat je de waarde direct kunt aflezen.

Je hoeft geen zeer duur meetinstrument te hebben.

Belangrijker is dat je consequent meet.

Meet niet één keer

Wanneer een maat kritisch is, meet hem dan twee of drie keer.

Open en sluit de schuifmaat opnieuw en kijk of je ongeveer dezelfde waarde krijgt.

Meet een connector bijvoorbeeld niet één keer als 11,92 millimeter en behandel dat vervolgens alsof het een absoluut gegeven is.

Als je achtereenvolgens meet:

11,91 mm
11,95 mm
11,93 mm

dan weet je dat ongeveer 11,9 millimeter waarschijnlijk een betrouwbare waarde is.

Dat is voldoende nauwkeurig voor dit soort ontwerpen.

Meet ook de proefprint

Je meet niet alleen het elektronische onderdeel.

Meet ook wat de printer werkelijk heeft gemaakt.

Stel dat je in Tinkercad een opening van 12,0 millimeter hebt ontworpen.

Meet de opening na het printen.

Misschien krijg je:

11,6 mm.

Dat vertelt je iets belangrijks.

Je probleem zit dan niet alleen in de maat van de connector. Er zit ook een verschil tussen de ontworpen en de geprinte maat.

Dat verschil kan ontstaan door:

printerafstelling;
materiaalkrimp;
slicerinstellingen;
lijnbreedte;
eigenschappen van het filament;
de manier waarop de opening wordt opgebouwd.

Je hoeft niet meteen exact te weten welke oorzaak verantwoordelijk is.

Het belangrijkste is dat je de afwijking waarneemt.

Voorspel vóór het proefpassen

Proefpassen werkt beter als je vooraf een verwachting hebt.

Stel dat je een printplaat in de behuizing wilt leggen.

Vraag jezelf eerst af:

Ik heb rondom 0,5 millimeter speling ontworpen. Ik verwacht dat de printplaat zonder kracht tussen de wanden valt, maar niet heen en weer kan schuiven.

Plaats daarna pas het onderdeel.

Observeer wat er gebeurt.

Valt de printplaat vanzelf op zijn plaats?

Moet je hem schuin houden?

Moet je tegen een wand drukken?

Kun je hem na plaatsing nog zonder gereedschap verwijderen?

Deze observaties vertellen meer dan alleen "past" of "past niet".

Proefpassen zonder kracht

Een onderdeel dat alleen past wanneer je flink duwt, past meestal niet goed.

Dat geldt zeker voor printplaten en connectoren.

Elektronica wil je niet onder mechanische spanning monteren.

Als je een PCB tussen twee wanden moet klemmen, kunnen bijvoorbeeld:

de printplaat kromtrekken;
soldeerverbindingen belast worden;
connectoren onder spanning komen;
de behuizing vervormen.

Daarom hoort een printplaat meestal met enige speling in de behuizing te passen.

De bevestigingspunten zorgen ervoor dat hij op zijn plaats blijft.

Niet de wanden.

Controleer de montagepunten één voor één

Bij vier montagegaten lijkt het logisch om meteen vier schroeven te plaatsen.

Maar bij een proefprint is het vaak nuttiger om systematischer te werk te gaan.

Leg eerst de printplaat op de montagepilaren.

Kijk van boven.

Lijken de gaten gecentreerd?

Plaats daarna één schroef.

Daarna de tegenoverliggende schroef.

Pas vervolgens de andere twee.

Zo merk je sneller waar een afwijking zit.

Als je meteen alle schroeven probeert vast te draaien, kun je de printplaat ongemerkt in een verkeerde positie trekken.

Dan lijkt het uiteindelijk alsof alles past, terwijl er mechanische spanning in de montage zit.

Schroefgaten hoeven niet exact de diameter van de schroef te hebben

Dit sluit aan op het eerdere hoofdstuk over toleranties.

Een M3-schroef heeft bijvoorbeeld een nominale diameter van 3 millimeter.

Dat betekent niet automatisch dat een gat van exact 3,0 millimeter de beste keuze is.

Als de schroef vrij door het gat moet kunnen bewegen, heb je extra ruimte nodig.

Moet de schroef juist in kunststof snijden, dan gelden weer andere maten.

Tijdens het proefpassen controleer je dus niet alleen:

Kan de schroef erin?

maar ook:

Gedraagt deze verbinding zich zoals ik bedoeld heb?

Dat is een belangrijk verschil.

Test connectoren met de echte kabel

Een connectoropening controleren zonder kabel geeft maar een deel van het verhaal.

Een USB-C-connector kan bijvoorbeeld netjes zichtbaar zijn door een opening, terwijl de stekker zelf niet volledig naar binnen kan.

Dat komt doordat een kabelstekker meestal breder en dikker is dan de metalen aansluiting in de connector.

Gebruik daarom de echte kabel waarmee het apparaat waarschijnlijk gebruikt gaat worden.

Steek hem in.

Controleer:

kan de stekker volledig worden ingestoken;
raakt de kunststof behuizing van de stekker nergens;
kun je de stekker normaal vastpakken;
kan de kabel zonder scherpe bocht weglopen;
blijft er voldoende ruimte voor een dikkere kabel.

Dit laatste is belangrijk.

Als je behuizing alleen werkt met één bijzonder dunne USB-kabel, is de opening waarschijnlijk te krap ontworpen.

Denk ook aan de hand van de gebruiker

Een opening kan technisch groot genoeg zijn en toch onpraktisch.

Stel dat je een kleine schuifschakelaar in een behuizing hebt geplaatst.

De schakelaar steekt precies door een smalle uitsparing.

Met een schroevendraaier kun je hem bedienen.

Maar met je vinger niet.

Dan moet je jezelf afvragen wat de bedoeling was.

Moet deze schakelaar alleen tijdens installatie worden gebruikt?

Dan kan dat prima zijn.

Moet je hem dagelijks kunnen bedienen?

Dan is de opening waarschijnlijk niet goed ontworpen.

Een behuizing moet dus niet alleen passen rond de elektronica.

Hij moet ook passen bij het gebruik.

Controleer kabelruimte aan de binnenkant

Een kabel neemt meer ruimte in dan je soms verwacht.

Vooral vlak achter een connector.

Een draad kan wel dun zijn, maar hij kan niet altijd meteen een scherpe hoek van 90 graden maken.

Dikkere voedingskabels en USB-kabels hebben een bepaalde buigradius nodig.

Daarom is het verstandig de kabel tijdens het proefpassen daadwerkelijk aan te sluiten.

Plaats daarna het deksel.

Nu ontdek je bijvoorbeeld dat:

de kabel tegen het deksel drukt;
een connector zijwaarts wordt belast;
draden tussen twee onderdelen komen;
er te weinig ruimte is voor een stekker.

Dit soort problemen zie je vaak niet op basis van alleen de afmetingen van de PCB.

Plaats alle onderdelen tegelijk

Als je behuizing meerdere onderdelen bevat, test ze uiteindelijk samen.

Een printplaat kan afzonderlijk perfect passen.

Een sensor kan afzonderlijk ook perfect passen.

Maar zodra beide gemonteerd zijn, kunnen de kabels elkaar in de weg zitten.

Daarom werk je het beste in stappen:

plaats het grootste onderdeel;
controleer de passing;
voeg een tweede onderdeel toe;
controleer opnieuw;
voeg kabels toe;
plaats tenslotte het deksel.

Zo weet je op welk moment een probleem ontstaat.

Dat is beter dan alles tegelijk in de behuizing proppen en vervolgens constateren dat het deksel niet dichtgaat.

Voorbeeld uit De Werkplaats: de ESP32 past, maar de kabel niet

Stel dat onze ESP32-behuizing uit het vorige hoofdstuk op het eerste gezicht goed lijkt.

De printplaat past tussen de wanden.

De montagegaten staan goed.

De USB-opening zit op de juiste hoogte.

We zouden kunnen denken dat het ontwerp klaar is.

Nu sluiten we een USB-kabel aan.

De stekker gaat goed door de opening.

Maar zodra we het deksel plaatsen, blijkt de kabel vlak achter de stekker tegen een verstevigingsrib te drukken.

Dat is een ander soort fout.

De maat van de connectoropening was correct.

De positie van de printplaat was correct.

Maar we hadden geen rekening gehouden met de ruimte achter de connector.

De oplossing kan bijvoorbeeld zijn:

de verstevigingsrib verplaatsen;
de behuizing iets langer maken;
de printplaat iets naar voren zetten.

Welke oplossing het beste is hangt af van de rest van het ontwerp.

Het belangrijke punt is dat we nu weten wat het probleem is.

Kijk naar afdrukken en krasjes

Niet alle informatie komt uit de schuifmaat.

Soms vertelt de proefprint zelf waar onderdelen elkaar raken.

Haal de elektronica na het proefpassen weer uit de behuizing en kijk naar de binnenkant.

Zie je:

glimmende plekken;
krasjes;
verkleuring;
afdrukken;
vervorming?

Dat kunnen contactpunten zijn.

Bij een te strak deksel zie je bijvoorbeeld soms precies waar twee kunststof delen over elkaar schuren.

Dat geeft je een aanwijzing waar extra speling nodig is.

Gebruik zulke sporen als informatie.

Test het deksel meerdere keren

Een deksel dat één keer dichtgaat, is niet automatisch goed.

Open en sluit het meerdere keren.

Let daarbij op:

hoeveel kracht nodig is;
of je het deksel recht moet houden;
of het ergens klemt;
of kliklipjes vervormen;
of schuifrails stroef lopen;
of schroefgaten netjes uitlijnen.

Bij klikverbindingen is herhaling extra belangrijk.

Een kliklipje kan de eerste keer prima functioneren en na vijf keer openen wit uitslaan of breken.

Dat betekent dat er te veel spanning in het materiaal zit.

Luister en voel

Bij mechanische onderdelen gebruik je niet alleen je ogen.

Voel bijvoorbeeld hoe een schuivend deksel beweegt.

Gaat het gelijkmatig?

Wordt het halverwege zwaarder?

Voel je een harde blokkade?

Luister bij een klikdeksel.

Hoor je een duidelijke klik wanneer het onderdeel op zijn plaats valt?

Of hoor je vooral gekraak van kunststof dat vervormt?

Dat soort informatie kun je niet uit een Tinkercad-model halen.

Juist daarom zijn proefprints zo waardevol.

Meet de afwijking, niet alleen het onderdeel

Stel dat een deksel ongeveer 0,6 millimeter te smal lijkt.

Je kunt dan het complete deksel opnieuw meten.

Maar soms is het handiger om direct de afwijking te meten.

Bijvoorbeeld met voelermaatjes of door een bekende afstand te vergelijken.

Ook kun je in Tinkercad gericht 0,2 of 0,3 millimeter extra speling toevoegen en een klein testdeel opnieuw printen.

Je probeert dan niet per se de theoretisch perfecte maat te berekenen.

Je zoekt systematisch naar een werkende combinatie van ontwerp, printer en materiaal.

Maak kleine aanpassingen

Als iets bijna past, verander dan niet meteen enkele millimeters.

Stel dat een schuifdeksel duidelijk te strak zit.

Je hebt oorspronkelijk 0,2 millimeter speling per zijde gebruikt.

Maak daar bijvoorbeeld eerst 0,3 of 0,4 millimeter van.

Print opnieuw.

Observeer.

Als je de opening meteen 1,5 millimeter groter maakt, is de kans groot dat je van te strak naar te los gaat.

Kleine wijzigingen geven duidelijkere informatie.

Verander één oorzaak tegelijk

Dit principe is bij mechanisch ontwerpen net zo nuttig als bij elektronica.

Stel dat een deksel niet goed sluit.

Je vermoedt drie mogelijke oorzaken:

te weinig zijdelingse speling;
een rib zit in de weg;
het deksel is iets kromgetrokken.

Verander dan niet tegelijk de speling, de rib én de printtemperatuur.

Want als de volgende print goed is, weet je niet waarom.

Verander eerst het ontwerp waarvan je de sterkste aanwijzing hebt dat het fout zit.

Controleer daarna opnieuw.

Zo bouw je kennis op over je eigen printer en je eigen manier van ontwerpen.

Gebruik versiebeheer op een eenvoudige manier

Na iedere belangrijke wijziging is het verstandig een nieuwe ontwerpversie te bewaren.

Bijvoorbeeld:

ESP32-behuizing-v01

ESP32-behuizing-v02

ESP32-behuizing-v03

Je kunt daarnaast kort noteren wat er veranderd is.

Bijvoorbeeld:

Versie 1

USB-opening 12,0 × 6,0 mm
PCB-speling 0,5 mm
dekselspeling 0,2 mm per zijde

Resultaat:

PCB past;
USB-opening te smal;
deksel te strak.

Versie 2

USB-opening vergroot naar 12,5 × 6,4 mm;
dekselspeling vergroot naar 0,35 mm per zijde.

Resultaat:

USB goed;
deksel schuift goed;
kabel raakt interne rib.

Versie 3

rib 4 mm verplaatst.

Op deze manier kun je later nog begrijpen waarom een bepaalde maat gekozen is.

Bewaar ook mislukte onderdelen even

Gooi een proefprint niet direct weg.

Zeker niet zolang je nog aan hetzelfde ontwerp werkt.

Schrijf er bijvoorbeeld met een stift op:

of:

Dan kun je twee versies naast elkaar leggen.

Dat is verrassend nuttig.

Je kunt voelen welke passing prettiger is of controleren welke opening groter was.

Pas als het ontwerp verder is, kun je de oude prototypes opruimen of het materiaal recyclen als je daarvoor mogelijkheden hebt.

Wanneer ligt de fout bij de printer?

Niet iedere afwijking moet je in Tinkercad corrigeren.

Stel dat je een wand van 20 millimeter ontwerpt en je printer maakt hem consequent 19,2 millimeter.

Dan is er waarschijnlijk meer aan de hand dan een gewone ontwerptolerantie.

Controleer in zo'n geval eerst de printer.

Denk bijvoorbeeld aan:

mechanische speling;
riemspanning;
stappeninstellingen;
slechte eerste laag;
overmatige materiaaltoevoer;
verkeerde materiaalinstellingen.

Het heeft weinig zin om ieder model kunstmatig groter te tekenen om een slecht afgestelde printer te compenseren.

Er is dus een verschil tussen:

normale printtolerantie

en:

een printer die structureel verkeerde afmetingen maakt.

Probeer dat onderscheid te herkennen.

Een eenvoudige kalibratietest kan helpen

Als je twijfelt aan de maatnauwkeurigheid van de printer, kun je een eenvoudig kalibratieonderdeel printen.

Bijvoorbeeld een blokje van:

20 × 20 × 20 millimeter.

Meet het daarna na.

Kom je ongeveer uit op de bedoelde maten, dan weet je dat de printer waarschijnlijk voldoende nauwkeurig is voor je behuizing.

Je hoeft daarbij niet geobsedeerd te raken door honderdsten van millimeters.

Een hobbyprinter is geen industriële freesmachine.

Voor behuizingen is vooral belangrijk dat de printer voorspelbaar werkt.

Ontwerpen voor jouw printer

Na een paar proefprints zul je patronen herkennen.

Misschien merk je bijvoorbeeld:

gaten moeten bij jouw printer meestal iets groter;
schuifdeksels werken prettig met 0,4 millimeter speling;
PETG heeft iets meer ruimte nodig dan PLA;
kleine kliklipjes moeten wat langer zijn dan je eerst dacht.

Dat is waardevolle praktische kennis.

Je ontwerpt dan niet meer alleen volgens algemene richtlijnen.

Je leert ontwerpen voor jouw combinatie van:

printer;
nozzle;
slicer;
materiaal;
instellingen.

Daarom kan een maat die bij iemand anders perfect werkt bij jou net anders uitpakken.

Wanneer is een ontwerp goed genoeg?

Je kunt blijven aanpassen.

Er is bijna altijd wel iets wat mooier, strakker of slimmer kan.

Daarom moet je op een gegeven moment bepalen wanneer een behuizing functioneel klaar is.

Voor een eenvoudige elektronica-behuizing kun je bijvoorbeeld controleren:

elektronica past zonder kracht;
onderdelen zijn stevig bevestigd;
connectoren zijn goed bereikbaar;
kabels hebben voldoende ruimte;
het deksel opent en sluit zoals bedoeld;
ventilatieopeningen zijn vrij;
er zijn geen scherpe of zwakke delen;
belangrijke onderdelen zijn bereikbaar voor onderhoud.

Als dit allemaal klopt, hoef je niet per se nog drie versies te printen om een cosmetisch verschil van 0,2 millimeter weg te werken.

Goed ontwerpen betekent ook weten wanneer iets goed genoeg is voor het doel.

Fouten geven informatie

Misschien kom je na het proefpassen tot de conclusie dat je meerdere dingen verkeerd hebt ingeschat.

Dat kan teleurstellend voelen.

Maar juist deze fase levert de meeste praktische kennis op.

Een connector die niet past vertelt je iets over toleranties.

Een afgebroken kliklipje vertelt je iets over materiaal en vorm.

Een kromgetrokken deksel vertelt je iets over printoriëntatie of materiaalgedrag.

Een verkeerd geplaatst schroefgat vertelt je dat je meetmethode beter kan.

Als je zo naar fouten kijkt, wordt een verkeerde proefprint geen verspild materiaal.

Het wordt informatie voor de volgende versie.

Wat je uit dit hoofdstuk kunt meenemen

Een behuizing ontwerpen stopt niet wanneer de eerste print uit de printer komt.

Eigenlijk begint dan de belangrijkste controlefase.

Door onderdelen werkelijk te plaatsen, kabels aan te sluiten en maten na te meten ontdek je of je digitale ontwerp in de praktijk klopt.

Daarbij helpt het om:

eerst te meten voordat je iets vijlt of boort;
zowel het echte onderdeel als de proefprint te meten;
kritische maten meerdere keren te controleren;
vooraf te voorspellen hoe iets zou moeten passen;
onderdelen zonder geweld te proefpassen;
connectoren met de echte kabel te testen;
alle onderdelen uiteindelijk tegelijk te monteren;
krasjes, afdrukken en weerstand als informatie te gebruiken;
kleine aanpassingen te maken;
zoveel mogelijk één oorzaak tegelijk te veranderen;
verschillende ontwerpversies te bewaren;
onderscheid te maken tussen een ontwerpfout en een printerprobleem.

Door deze cyclus een paar keer te doorlopen, verandert je manier van ontwerpen. Je gaat steeds eerder voorspellen waar ruimte nodig is en welke verbinding waarschijnlijk kritisch wordt.

Toch zijn er een aantal fouten die bij bijna iedere eerste behuizing terugkomen.

In het volgende hoofdstuk bekijken we daarom de meest voorkomende fouten bij behuizingen en vooral hoe je ze herkent voordat je opnieuw uren aan een print besteedt.