Ruimte maken voor printplaten, sensoren en connectoren

In het vorige hoofdstuk heb je bepaald hoe dik de wanden en bodem van je behuizing moeten worden en waar verstevigingen nodig zijn. Daarmee heb je een stevige buitenkant.

Maar een stevige doos is nog geen bruikbare behuizing.

Binnenin moet namelijk ruimte komen voor de onderdelen waarvoor je de behuizing maakt: een printplaat, een ESP32, een sensor, een display, kabels, connectoren en misschien een schakelaar of drukknop.

Dat lijkt eenvoudig. Je meet het onderdeel op, maakt binnenin ongeveer dezelfde ruimte en klaar.

In de praktijk gaat het daar vaak mis.

Een printplaat heeft bijvoorbeeld niet alleen ruimte nodig voor de printplaat zelf. Er steken connectoren uit. Draden moeten kunnen buigen. Een USB-stekker moet erin kunnen. Een sensor moet misschien juist dicht bij een opening in de wand zitten.

Je ontwerpt daarom niet alleen ruimte voor onderdelen, maar ook ruimte om ze te monteren, aan te sluiten en later weer los te halen.

Dat verschil maakt van een passend doosje een bruikbare behuizing.

Begin niet met de buitenkant, maar met wat erin moet

Wanneer je een behuizing ontwerpt, is het verleidelijk om eerst een mooie buitenvorm te maken.

Daarna probeer je de elektronica erin te krijgen.

Voor eenvoudige projecten kan dat lukken, maar zodra je meerdere onderdelen gebruikt, wordt het al snel passen en meten.

Een betrouwbaardere werkwijze is:

bepaal welke onderdelen in de behuizing komen;
bepaal waar die onderdelen ongeveer moeten zitten;
reserveer daarvoor ruimte;
ontwerp de behuizing daaromheen.

Je werkt dan van binnen naar buiten.

Dat sluit aan op wat je eerder hebt gedaan. Je hebt de buitenmaten, wanddikte en bodem inmiddels onder controle. Nu ga je controleren of de bruikbare binnenruimte ook werkelijk voldoende is.

De buitenmaat is niet de binnenmaat

Stel dat je een eenvoudige behuizing hebt gemaakt van:

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

Met wanden van 2 mm lijkt dat ruim.

Maar de bruikbare binnenruimte is kleiner.

Aan beide zijden verdwijnt namelijk 2 mm wanddikte.

De binnenbreedte wordt dan ongeveer:

80 - 2 - 2 = 76 mm

De binnendiepte wordt:

60 - 2 - 2 = 56 mm

En wanneer de bodem bijvoorbeeld 2,5 mm dik is, blijft ook in de hoogte minder ruimte over.

Dat klinkt vanzelfsprekend, maar het is een veelvoorkomende ontwerpfout.

Je kijkt naar de buitenmaat van een behuizing en denkt:

Mijn printplaat is 70 mm breed, dus in een kastje van 75 mm past hij.

Maar wanneer beide zijwanden 2 mm dik zijn, blijft nog maar 71 mm over.

En dan hebben we eventuele speling nog niet meegerekend.

Eerst voorspellen

Neem voordat je verdergaat een onderdeel dat je later in een behuizing wilt gebruiken.

Dat kan bijvoorbeeld zijn:

een ESP32-ontwikkelbord;
een klein relaisbord;
een sensorprint;
een displaymodule.

Meet de breedte en lengte.

Kijk daarna naar een behuizing die je al hebt ontworpen.

Voorspel eerst: past het onderdeel volgens jouw berekening ruim, precies of helemaal niet?

Controleer daarna pas de binnenmaten.

Het doel is niet dat je meteen goed gokt. Het doel is dat je gewend raakt om onderscheid te maken tussen buitenruimte en bruikbare binnenruimte.

Maak tijdelijke blokken van je onderdelen

Tinkercad kent niet automatisch de vorm en afmetingen van jouw elektronica.

Je kunt natuurlijk een compleet 3D-model van een ESP32 of sensor importeren, maar voor de meeste behuizingen is dat helemaal niet nodig.

Vaak is een eenvoudig blok voldoende.

Stel dat jouw ESP32-printplaat ongeveer:

52 mm lang;
28 mm breed;
1,6 mm dik

is.

Maak dan in Tinkercad een Box van ongeveer dezelfde lengte en breedte.

Voor de hoogte kun je niet alleen de dikte van de printplaat gebruiken. Op de printplaat zitten immers componenten.

Maak het blok daarom bijvoorbeeld 8 of 10 mm hoog.

Je hebt nu een eenvoudige ruimtehouder.

Zo'n ruimtehouder wordt ook wel een dummy of mock-up genoemd: een eenvoudige vorm die alleen bedoeld is om ruimte te reserveren.

Het hoeft geen nauwkeurig model van alle chips en weerstanden te zijn.

Je wilt vooral antwoord op vragen als:

past de printplaat tussen de wanden?
blijft er voldoende ruimte boven de onderdelen?
zit de USB-aansluiting op een bruikbare plek?
kan er nog een kabel naast?
botsen twee modules tegen elkaar?

Geef tijdelijke onderdelen een herkenbare naam

Wanneer je ontwerp ingewikkelder wordt, kan het helpen om zulke tijdelijke vormen in gedachten een duidelijke functie te geven.

Bijvoorbeeld:

ESP32;
SHT41;
Display;
USB-stekker;
Kabelruimte.

Tinkercad is geen uitgebreid mechanisch CAD-programma met een complete onderdelenstructuur, maar door consequent te werken houd je het ontwerp toch begrijpelijk.

Verwijder zulke hulponderdelen ook niet te vroeg.

Ze helpen je later opnieuw controleren of alles nog past.

Reserveer niet alleen ruimte voor de printplaat

Een printplaat zelf is meestal niet het grootste probleem.

De onderdelen eromheen zijn vaak bepalender.

Denk bijvoorbeeld aan een ESP32-ontwikkelbord.

Aan één zijde zit een USB-connector.

Wanneer je het bord vlak tegen de binnenwand plaatst, lijkt het misschien perfect te passen.

Maar zodra je er een USB-kabel in wilt steken, blijkt dat onmogelijk.

De stekker heeft namelijk extra ruimte nodig.

Hetzelfde geldt voor:

Dupont-connectoren;
schroefterminals;
JST-stekkers;
pinheaders;
Ethernetstekkers;
antennes;
voedingsconnectoren.

Je moet daarom verder kijken dan de printplaat zelf.

Denk in drie soorten ruimte

Bij elektronica in een behuizing kun je grofweg drie soorten ruimte onderscheiden.

1. Ruimte voor het onderdeel zelf

Dit is de fysieke ruimte die de printplaat, sensor of connector inneemt.

Bijvoorbeeld:

printplaat: 52 × 28 mm;
sensorprint: 15 × 15 mm;
display: 45 × 35 mm.

Dat zijn de maten die je gemakkelijk kunt meten.

2. Ruimte voor montage

Een onderdeel moet ergens aan vastzitten.

Daarvoor heb je bijvoorbeeld nodig:

afstandhouders;
schroeven;
nokjes;
sleuven;
clips;
geleiderails.

Die constructies nemen zelf ook ruimte in.

3. Ruimte voor gebruik

Dit is de ruimte die nodig is om het onderdeel werkelijk te kunnen gebruiken.

Bijvoorbeeld:

ruimte om een USB-stekker in te steken;
ruimte om een kabel om te buigen;
ruimte om een schroevendraaier bij een terminal te krijgen;
ruimte om een printplaat uit de behuizing te tillen;
ruimte om een drukknop te bedienen.

Juist deze derde categorie wordt vaak vergeten.

Kabels zijn geen lijnen

In een schema teken je een draad als een dunne lijn.

In een behuizing werkt dat anders.

Een kabel heeft dikte en kan meestal niet direct onder een hoek van 90 graden worden gebogen.

Stel dat aan de zijkant van een printplaat drie draden zijn aangesloten.

In Tinkercad zie je misschien nog 5 mm vrije ruimte tot de wand.

Dat lijkt voldoende.

Maar wanneer de draden uit een stekker komen en moeten ombuigen, kan 5 mm veel te weinig zijn.

Maak ook van kabelruimte een tijdelijk volume

Je kunt dit eenvoudig zichtbaar maken.

Plaats achter een connector een tijdelijke Box of Cylinder die ongeveer de ruimte vertegenwoordigt die een stekker en kabel nodig hebben.

Bijvoorbeeld:

connector: 10 mm;
stekker: nog eens 15 mm;
buigruimte kabel: 10 mm.

Dan blijkt ineens dat je niet 10, maar misschien 30 tot 35 mm ruimte nodig hebt.

Dat is geen verspilde ruimte.

Het is functionele ruimte.

Onderdelen hoeven niet allemaal op de bodem

Bij eenvoudige ontwerpen wordt bijna alles op de bodem geplaatst.

Dat werkt vaak prima, maar het is niet de enige mogelijkheid.

Je kunt onderdelen ook:

tegen een zijwand plaatsen;
onder het deksel bevestigen;
op verschillende hoogtes monteren;
in sleuven schuiven;
op afstandhouders boven elkaar plaatsen.

Daarmee kun je een behuizing aanzienlijk compacter maken.

Toch is stapelen niet altijd verstandig.

Wanneer twee printplaten boven elkaar zitten, moet je rekening houden met:

uitstekende pinnen;
componenten aan de onderzijde;
warmte;
bereikbaarheid van connectoren;
montage en demontage.

Een kleinere behuizing is dus niet automatisch een betere behuizing.

Een printplaat op afstandhouders plaatsen

Een veelgebruikte manier om een printplaat te bevestigen is met afstandhouders.

Een afstandhouder is een klein verhoogd punt waarop de printplaat rust.

Hierdoor ligt de printplaat niet rechtstreeks op de bodem.

Dat heeft verschillende voordelen.

Er ontstaat ruimte voor:

soldeerpunten aan de onderzijde;
uitstekende pinnen;
luchtcirculatie;
schroefbevestiging.

In een 3D-geprinte behuizing kun je zulke afstandhouders direct in de bodem ontwerpen.

Een eenvoudige afstandhouder maken

Plaats bijvoorbeeld een Cylinder op de bodem.

Geef deze ongeveer:

6 mm diameter;
4 mm hoogte.

Plaats vervolgens in het midden een kleinere Cylinder als Hole.

Wanneer je beide vormen groepeert, ontstaat een afstandhouder met een gat.

Je kunt daar later bijvoorbeeld een kleine schroef doorheen steken.

De exacte maat hangt af van de schroef die je gebruikt.

Het principe is belangrijker dan de maat.

Controleer de positie van montagegaten

Wanneer je printplaat bestaande montagegaten heeft, meet dan niet alleen de buitenmaten van de printplaat.

Meet ook:

afstand van gat tot linkerzijde;
afstand van gat tot rechterzijde;
afstand tussen de gaten;
diameter van de gaten.

Een fout van 1 mm kan voldoende zijn om vier bevestigingspunten onbruikbaar te maken.

Werk daarom vanuit één duidelijk referentiepunt.

Bijvoorbeeld vanaf de linkeronderhoek van de printplaat.

Dat is betrouwbaarder dan ieder gat afzonderlijk op het oog neerzetten.

Niet iedere printplaat heeft montagegaten

Veel goedkope sensormodules en ontwikkelborden hebben helemaal geen handige montagegaten.

Dan heb je andere oplossingen nodig.

Je kunt bijvoorbeeld werken met:

kleine opstaande randjes;
geleiders;
klemmetjes;
een uitsparing waarin de printplaat valt;
sleuven waarin de printplaat schuift.

Een kleine sensorprint kun je bijvoorbeeld tussen twee smalle geleideranden plaatsen.

De printplaat wordt dan niet vastgeschroefd, maar mechanisch op zijn plek gehouden.

Dat kan voor lichte elektronica prima werken.

Houd er wel rekening mee dat een printplaat later weer verwijderd moet kunnen worden.

Een constructie die tijdens het monteren perfect vastklikt maar daarna niet meer loskomt, is minder handig dan hij op het scherm lijkt.

Sensoren hebben soms juist contact met de buitenwereld nodig

Een ESP32 kun je meestal redelijk vrij in de behuizing plaatsen.

Bij sensoren ligt dat anders.

Een sensor meet iets.

En daarvoor moet hij soms contact hebben met de omgeving buiten de behuizing.

Denk bijvoorbeeld aan een temperatuur- en luchtvochtigheidssensor zoals een SHT41.

Wanneer je die diep in een volledig gesloten behuizing plaatst, meet hij vooral de lucht in de behuizing.

Die lucht kan worden opgewarmd door de ESP32 en andere elektronica.

De gemeten temperatuur kan daardoor hoger worden dan de werkelijke kamertemperatuur.

De mechanische positie van de sensor beïnvloedt dan rechtstreeks de meting.

Ontwerp rondom wat de sensor moet waarnemen

Vraag bij iedere sensor daarom eerst:

Wat moet deze sensor kunnen waarnemen?

Bij een temperatuursensor kan luchtstroming belangrijk zijn.

Bij een lichtsensor moet er licht op de sensor kunnen vallen.

Bij een bewegingssensor moet het detectiegebied niet door een wand worden geblokkeerd.

Bij een luchtdruksensor moet de druk in de behuizing voldoende kunnen volgen met de buitenlucht.

Bij een microfoon moet geluid de sensor kunnen bereiken.

De opening in de behuizing hoort dus bij het ontwerp van de sensor.

Niet alleen bij het ontwerp van het kastje.

Voorbeeld uit De Werkplaats: SHT41 naast een ESP32

Stel dat je een kleine binnensensor wilt bouwen met:

een ESP32;
een SHT41 voor temperatuur en luchtvochtigheid;
een USB-aansluiting voor voeding.

Je zou de SHT41 gemakkelijk naast de ESP32 op dezelfde bodem kunnen plaatsen.

Mechanisch is dat logisch.

Maar meetkundig misschien niet.

De ESP32 produceert tijdens gebruik een kleine hoeveelheid warmte.

Wanneer de SHT41 direct daarnaast zit en er nauwelijks lucht door de behuizing stroomt, kan de sensor daardoor worden beïnvloed.

Een betere oplossing kan zijn om de SHT41:

verder van de ESP32 te plaatsen;
dichter bij ventilatieopeningen te zetten;
eventueel iets hoger of lager te plaatsen.

Daarmee zie je dat elektronica-indeling niet alleen gaat over:

Past het?

maar ook over:

Werkt het daar goed?

Connectoren bepalen vaak de vorm van de behuizing

Een connector is een onderdeel waarmee je van buitenaf verbinding maakt met de elektronica.

Bijvoorbeeld:

USB;
voedingsstekker;
Ethernet;
antenneaansluiting;
jackplug;
schroefterminal.

Zo'n connector bepaalt vaak waar de printplaat moet komen.

Wanneer de USB-connector rechtstreeks op de printplaat zit, moet die connector ongeveer tegenover een opening in de wand komen.

Je kunt dus niet altijd eerst de printplaat ergens neerleggen en daarna pas bedenken waar het gat komt.

Soms moet je andersom werken.

Eerst bepaal je waar de aansluiting aan de buitenkant moet komen.

Daarna plaats je de printplaat daarachter.

Werk met een tijdelijk model van de stekker

Een USB-aansluiting is een goed voorbeeld.

Maak niet alleen een gat ter grootte van de USB-connector.

Maak ook een tijdelijk blok dat de stekker voorstelt.

Plaats dat blok van buitenaf in de opening.

Controleer vervolgens:

kan de stekker diep genoeg naar binnen?
raakt hij de wand?
raakt hij een interne versteviging?
kan de kabel zonder scherpe knik naar buiten?

Dit kost maar een paar minuten extra, maar voorkomt een heel herkenbare fout:

de aansluiting is zichtbaar en bereikbaar, maar de stekker past er fysiek niet in.

Plaats connectoren niet onnodig dicht bij hoeken

In een hoek van een behuizing komen meerdere wanden samen.

Daar is de constructie vaak dikker en stijver.

Dat maakt een hoek mechanisch sterk, maar voor connectoren juist lastig.

Een opening vlak naast een hoek kan botsen met:

de aangrenzende wand;
een verstevigingsrib;
een schroefkolom;
de ronding van de behuizing.

Laat daarom waar mogelijk wat afstand tussen een connector en een hoek.

Dat geeft je later meer vrijheid.

Houd rekening met deksels en schroeven

Wanneer je onderdelen in de behuizing plaatst, kijk dan niet alleen naar de bodem.

Er komt waarschijnlijk ook een deksel op.

Misschien zitten daar:

schroefkolommen;
clips;
een rand die in de onderkant valt;
ventilatieopeningen;
een display.

Een printplaat kan op de bodem perfect passen, maar alsnog tegen een schroefkolom in het deksel botsen.

Controleer daarom regelmatig je ontwerp met het deksel tijdelijk op zijn plaats.

Wanneer het zicht onoverzichtelijk wordt, kun je onderdelen tijdelijk verplaatsen of afzonderlijk bekijken.

Laat onderhoudsruimte over

Bij een eerste ontwerp denk je vooral aan het monteren.

Maar uiteindelijk moet je een behuizing misschien ook weer openen.

Bijvoorbeeld omdat je:

firmware wilt aanpassen;
een kabel wilt vervangen;
een sensor wilt onderzoeken;
een printplaat wilt vernieuwen.

Vraag daarom tijdens het ontwerpen:

Kan ik dit onderdeel straks nog verwijderen?

Een printplaat die precies tussen vier wanden klemt, past misschien uitstekend.

Maar je krijgt hem er nooit meer uit.

Een connector die direct achter een andere printplaat zit, is misschien elektrisch bereikbaar.

Maar niet met je vingers.

Onderhoudsruimte hoeft niet groot te zijn.

Een paar millimeter extra op de juiste plek kan al veel verschil maken.

Maak één onderdeel tegelijk definitief

Wanneer je meerdere elektronische onderdelen in een behuizing moet plaatsen, wordt het snel onoverzichtelijk.

Probeer daarom niet alles tegelijkertijd perfect te positioneren.

Werk stap voor stap.

Bijvoorbeeld:

plaats eerst de grootste printplaat;
controleer de bevestiging;
plaats daarna de belangrijkste externe connector;
controleer stekker en kabelruimte;
plaats daarna de sensor;
controleer of die goed kan meten;
voeg pas daarna kleinere onderdelen toe.

Verander steeds één ding.

Dat sluit aan bij de manier waarop je in eerdere hoofdstukken hebt gewerkt.

Wanneer er iets niet past, weet je dan beter welke wijziging de oorzaak was.

Test met eenvoudige vormen voordat je details toevoegt

Je hoeft in deze fase nog geen perfecte schroefkoppen, stekkers of complete elektronische componenten te modelleren.

Een paar simpele dozen en cilinders zijn meestal genoeg.

Dat heeft zelfs een voordeel.

Je kijkt dan vooral naar de functionele indeling.

Niet naar details die op dit moment nog niet belangrijk zijn.

Een blok kan bijvoorbeeld betekenen:

Hier moet altijd minimaal 15 mm vrije ruimte blijven.

Zo'n simpele vorm is voor het ontwerp soms waardevoller dan een prachtig gedetailleerd 3D-model.

Een praktische oefening

Maak nu een eenvoudige indeling voor een behuizing met:

één ESP32-ontwikkelbord;
één kleine sensorprint;
één USB-aansluiting.

Gebruik eenvoudige Box-vormen als tijdelijke onderdelen.

Plaats eerst alleen de ESP32.

Controleer de ruimte aan alle zijden.

Voeg daarna een tijdelijk blok toe dat een USB-stekker voorstelt.

Voorspel

Denk voordat je de stekker toevoegt:

Hoeveel extra ruimte zal die stekker volgens mij nodig hebben?

Plaats hem daarna.

Vaak blijkt de benodigde ruimte groter dan verwacht.

Voeg vervolgens de sensor toe.

Plaats hem eerst dicht naast de ESP32.

Bedenk daarna of dat voor de meting een logische positie is.

Verplaats alleen de sensor en vergelijk beide situaties.

Je verandert daarmee maar één onderdeel.

Dat maakt het effect duidelijk.

Wanneer iets niet past, is dat nuttige informatie

Stel dat je na deze oefening ontdekt dat de behuizing 8 mm langer moet worden.

Dat is geen mislukking.

Je hebt juist iets ontdekt voordat je bent gaan printen.

Een digitaal model is goedkoop om te veranderen.

Een mislukte print kost:

filament;
tijd;
elektriciteit;
soms opnieuw montagewerk.

Iedere botsing die je in Tinkercad vindt, is dus informatie die je later materiaal bespaart.

Pas op voor schijnbare precisie

Tinkercad laat je zeer nauwkeurige maten invoeren.

Je kunt een ruimte bijvoorbeeld exact 28,00 mm breed maken voor een printplaat die volgens jouw schuifmaat 28,00 mm breed is.

Op het scherm ziet dat perfect uit.

Maar dat betekent nog niet dat het geprinte onderdeel ook werkelijk past.

Een 3D-printer maakt geen mathematisch perfecte vormen.

Ook onderdelen zelf hebben maatverschillen.

Een printplaat kan bijvoorbeeld iets groter zijn dan opgegeven. Een opening kan tijdens het printen iets kleiner uitvallen. Een schroefgat kan net te strak worden.

Daarom is het verstandig om in deze fase al te denken aan wat extra ruimte.

Hoeveel extra ruimte je precies nodig hebt, hangt af van:

je printer;
het materiaal;
de richting waarin je print;
de gewenste passing;
de vorm van het onderdeel.

En juist dat wordt in het volgende hoofdstuk belangrijk.

Wat je uit dit hoofdstuk kunt meenemen

Een bruikbare behuizing ontstaat niet alleen door de buitenkant goed te ontwerpen. De elektronica binnenin bepaalt voor een groot deel hoe de behuizing eruit moet zien.

Belangrijk om te onthouden:

werk waar mogelijk van de onderdelen naar de behuizing toe;
kijk naar de bruikbare binnenruimte, niet alleen naar de buitenmaten;
gebruik eenvoudige tijdelijke vormen om printplaten en sensoren voor te stellen;
reserveer ruimte voor stekkers, kabels en kabelbochten;
houd rekening met montage en latere demontage;
plaats sensoren op basis van wat ze moeten meten;
laat connectoren de positie van een printplaat mede bepalen;
controleer ook of deksel, schroefkolommen en verstevigingen nog passen;
verander steeds één onderdeel tegelijk;
zie een botsing in Tinkercad als nuttige informatie.

Je hebt nu een behuizing waarin de onderdelen op het scherm daadwerkelijk ruimte hebben. Maar daarmee zijn we nog niet klaar.

Want wanneer een printplaat in Tinkercad exact in een uitsparing past, kan dezelfde printplaat na het printen alsnog klemmen.

In het volgende hoofdstuk kijken we daarom naar toleranties — waarom passend op het scherm niet passend uit de printer betekent.