Ventilatieopeningen maken zonder de behuizing zwak te maken

In het vorige hoofdstuk heb je gezien hoe je onderdelen stevig kunt monteren met schroefpilaren, bouten en heat-set inserts. Daarmee krijgt de binnenkant van een behuizing structuur. Maar soms is alleen stevigheid niet genoeg.

Elektronica maakt warmte. Een spanningsregelaar, ESP32, relaismodule of voeding kan tijdens gebruik warmer worden dan je op het eerste gezicht verwacht. In een open proefopstelling verdwijnt die warmte vanzelf in de omgeving. Zodra je dezelfde elektronica in een gesloten kunststof doos stopt, verandert dat.

De warmte kan dan minder gemakkelijk weg.

Ventilatieopeningen lijken een eenvoudige oplossing: je maakt een paar sleuven of gaten in de behuizing en klaar. Maar iedere opening haalt ook materiaal weg. Maak je de openingen te groot, te dicht op elkaar of op de verkeerde plaats, dan kan een wand merkbaar slapper worden.

Het doel van dit hoofdstuk is daarom niet om zoveel mogelijk gaten te maken.

Het doel is om alleen daar materiaal weg te halen waar dat functioneel nodig is, terwijl de behuizing haar vorm en stevigheid behoudt.

Waarom een gesloten behuizing warmer wordt

Elektronische onderdelen zetten een deel van de opgenomen elektrische energie om in warmte.

Bij een kleine temperatuursensor is dat meestal nauwelijks merkbaar. Bij andere onderdelen kan het verschil groter zijn. Denk bijvoorbeeld aan:

een ESP32 die continu wifi gebruikt;
een spanningsregelaar;
een relaismodule;
een voeding;
een display met achtergrondverlichting;
een vermogensweerstand;
een motorcontroller.

In een open opstelling kan lucht vrij langs deze onderdelen bewegen. Warme lucht stijgt op en wordt vervangen door koelere lucht.

In een afgesloten behuizing wordt die luchtstroming beperkt.

De temperatuur binnenin loopt daardoor meestal iets op.

Dat hoeft niet direct een probleem te zijn. Veel elektronica kan prima werken bij temperaturen die duidelijk hoger liggen dan kamertemperatuur. Maar extra warmte kan wel invloed hebben op betrouwbaarheid, meetwaarden en levensduur.

Bij een temperatuursensor kan het zelfs een meetfout veroorzaken.

Als je bijvoorbeeld een SHT41 samen met een ESP32 in één gesloten behuizing bouwt, kan de warmte van de ESP32 de lucht rond de sensor iets opwarmen. De sensor meet dan keurig de temperatuur die hij ziet, maar dat is niet helemaal dezelfde temperatuur als die van de kamer.

Ventilatie is dan niet alleen bedoeld om elektronica koel te houden.

Het kan ook nodig zijn om de omgeving goed te kunnen meten.

Eerst bepalen of ventilatie werkelijk nodig is

Het is verleidelijk om standaard ventilatiesleuven in iedere behuizing te tekenen.

Dat is meestal niet nodig.

Openingen hebben namelijk ook nadelen. Ze laten niet alleen lucht door, maar mogelijk ook:

stof;
vocht;
insecten;
vuil;
licht;
geluid.

Daarnaast kost iedere opening constructieve sterkte.

Stel jezelf daarom eerst een eenvoudige vraag:

Waarom moet hier lucht doorheen kunnen?

Voor een binnenthermometer kan het antwoord zijn:

Omdat de temperatuursensor de kamerlucht moet kunnen meten.

Voor een ESP32-behuizing kan het zijn:

Omdat de processor en spanningsregelaar warmte produceren.

Voor een buitensensor ligt het ingewikkelder. Daar wil je misschien wel lucht bij een temperatuur- en vochtigheidssensor laten komen, maar geen regenwater in de elektronica.

Ventilatie is dus altijd onderdeel van een groter ontwerpbesluit.

Natuurlijke luchtstroming gebruiken

Warme lucht heeft een lagere dichtheid dan koelere lucht en stijgt daardoor op.

Dat kun je in je ontwerp gebruiken.

Als je onderin een behuizing openingen maakt en bovenin eveneens openingen, kan er vanzelf een kleine luchtstroming ontstaan.

Koelere lucht komt onderaan binnen.

De lucht warmt binnenin iets op.

Vervolgens verlaat warmere lucht de behuizing via de bovenste openingen.

Dit wordt natuurlijke convectie genoemd.

Je hoeft de term niet te onthouden om het principe te gebruiken.

Denk eenvoudig:

lucht erin onderaan, warme lucht eruit bovenaan.

Een rij sleuven midden op één zijwand kan ook helpen, maar gebruikt dit effect minder goed.

Ventilatie is niet hetzelfde als een groot gat

Een groot rechthoekig gat laat veel lucht door.

Het verwijdert alleen ook veel materiaal.

Dat maakt een wand snel slap.

Meerdere kleinere openingen zijn daarom vaak constructief gunstiger.

Vergelijk bijvoorbeeld een zijwand van 80 × 40 mm.

Je zou daarin één opening van 50 × 20 mm kunnen maken.

Maar je kunt ook zes smalle sleuven maken van bijvoorbeeld 4 × 25 mm.

Het totale open oppervlak kan ongeveer hetzelfde zijn, terwijl er tussen de sleuven materiaal blijft staan.

Die stroken werken als kleine verstevigingen.

Dit is een belangrijk ontwerpprincipe:

Verdeel een grote opening liever over meerdere kleinere openingen wanneer dat functioneel mogelijk is.

Sleuven maken in Tinkercad

Ventilatiesleuven kun je maken met dezelfde methode die je eerder gebruikte voor gaten en uitsparingen.

Je gebruikt een vorm als Hole en groepeert die vervolgens met de behuizing.

Een eenvoudige sleuf kun je bijvoorbeeld maken met een Box.

Stel dat de zijwand van je behuizing 2 mm dik is.

Maak dan een Hole-vorm die iets verder door de wand steekt, bijvoorbeeld 4 mm diep. Zo weet je zeker dat de uitsparing volledig door de wand gaat.

Geef de sleuf bijvoorbeeld:

breedte: 4 mm;
hoogte: 20 mm;
diepte: 4 mm.

Plaats hem door de zijwand.

Selecteer de sleuf en de behuizing en gebruik Group.

Je hebt nu één ventilatiesleuf.

Maar één sleuf is nog geen ventilatierooster.

Gebruik dupliceren in plaats van opnieuw tekenen

Zoals je eerder hebt gezien, is opnieuw tekenen meestal niet de beste methode voor herhalende vormen.

Maak eerst één sleuf precies goed.

Controleer:

de afmetingen;
de positie;
de afstand tot de randen;
de hoogte.

Dupliceer hem daarna.

In Tinkercad kun je hiervoor Duplicate gebruiken.

Verplaats de kopie bijvoorbeeld 8 mm.

Wanneer je vervolgens opnieuw dupliceert, kan Tinkercad dezelfde verplaatsing herhalen.

Zo ontstaat snel een nette rij met gelijkmatig verdeelde sleuven.

Dat werkt niet alleen sneller.

Het voorkomt ook dat kleine afwijkingen zich opstapelen.

Laat materiaal tussen de sleuven staan

De stroken materiaal tussen ventilatiesleuven zijn belangrijker dan ze misschien lijken.

Ze verbinden de delen van de wand met elkaar.

Wanneer die stroken te smal worden, kan de wand gemakkelijk buigen of zelfs breken tijdens het printen, monteren of gebruiken.

Bij een normale FDM-print met een nozzle van 0,4 mm is een strook van slechts 0,5 mm bijvoorbeeld geen verstandige keuze.

Dat is nauwelijks meer dan één printlijn.

Als praktisch uitgangspunt kun je tussen ventilatiesleuven vaak ongeveer 2 tot 3 mm materiaal laten staan.

Dat is geen absolute regel.

Het hangt onder andere af van:

materiaal;
wanddikte;
oriëntatie van de print;
grootte van de behuizing;
plaats van de opening.

Voor een kleine PLA- of PETG-behuizing met een wanddikte rond 2 mm is 2 à 3 mm tussenruimte meestal een veel logischere start dan 0,5 of 1 mm.

Blijf uit de buurt van hoeken

Een vlakke wand kan relatief gemakkelijk een opening verdragen.

Een hoek is constructief belangrijker.

Daar komen twee wanden samen en ontstaat een soort profiel dat veel stijver is dan een losse vlakke plaat.

Maak daarom liever geen grote ventilatiesleuven direct tegen een hoek.

Laat rondom de rand wat massief materiaal staan.

Je kunt bijvoorbeeld bij een zijwand van 80 mm breed de eerste ventilatiesleuf 8 tot 10 mm vanaf de hoek laten beginnen.

Aan de andere kant doe je hetzelfde.

Die massieve rand werkt als een frame rond het ventilatierooster.

Hetzelfde geldt voor schroefpilaren

In het vorige hoofdstuk heb je schroefpilaren en inserts toegevoegd.

Ook daar wil je niet onnodig materiaal rondom verwijderen.

Een schroefpilaar draagt krachten over van het deksel naar de behuizing.

Als je vlak naast zo'n pilaar een grote ventilatieopening maakt, kan het omliggende materiaal verzwakken.

Houd daarom enige afstand tussen:

ventilatiesleuven;
schroefgaten;
schroefpilaren;
clips;
bevestigingspunten.

Je kunt een ventilatierooster beter iets opschuiven dan een belangrijk bevestigingspunt verzwakken.

Een praktisch voorbeeld uit De Werkplaats

Stel dat je een behuizing ontwerpt voor een ESP32 met een SHT41-temperatuur- en luchtvochtigheidssensor.

De ESP32 zit aan de onderzijde van de printplaat.

De SHT41 bevindt zich dicht bij de zijkant van de behuizing.

Je wilt twee dingen bereiken:

warmte van de ESP32 moet kunnen ontsnappen;
kamerlucht moet gemakkelijk langs de SHT41 kunnen stromen.

Een logische oplossing is dan niet één groot rooster boven de hele printplaat.

Je kunt bijvoorbeeld onderaan enkele sleuven maken en bij de sensor een tweede groep sleuven plaatsen.

Daarmee stuur je de luchtstroming iets gerichter.

Je kunt de sensor bovendien iets verder van de ESP32 plaatsen.

Zo los je het warmteprobleem niet alleen op met ventilatie, maar ook met plaatsing.

Dat is meestal beter ontwerpen.

Voorspel eerst wat er gebeurt

Voordat je gaten gaat maken, kijk naar je model alsof de lucht zichtbaar zou zijn.

Vraag jezelf af:

waar komt koelere lucht binnen?
waar ontstaat warmte?
waar kan warme lucht naartoe?
zitten er onderdelen in de weg?
kan lucht werkelijk langs de sensor bewegen?

Maak vervolgens de openingen.

Bekijk daarna opnieuw het model.

Is er nu een logisch pad voor de lucht?

Dit soort voorspellen helpt om te voorkomen dat je ventilatiesleuven alleen als decoratie toevoegt.

Horizontale of verticale sleuven?

Beide kunnen werken.

De keuze is vooral afhankelijk van de vorm en belastingsrichting van de wand.

Verticale sleuven laten verticale stroken materiaal staan.

Horizontale sleuven laten horizontale stroken staan.

Bij een hoge smalle zijwand kunnen verticale sleuven bijvoorbeeld logisch zijn.

Bij een langwerpige behuizing kunnen horizontale sleuven beter passen.

Er is geen vaste regel dat één richting altijd sterker is.

Kijk vooral naar de hele wand.

Een goede vuistregel is:

Laat zoveel mogelijk ononderbroken materiaal lopen tussen belangrijke bevestigingspunten.

Als een schroef bovenaan en onderaan een wand zit, wil je daar bijvoorbeeld liever geen volledig doorlopende rij openingen tussen plaatsen.

Ronde gaten als alternatief

Ventilatie hoeft niet altijd uit sleuven te bestaan.

Een patroon van ronde gaten kan ook goed werken.

Dat kan bijvoorbeeld met meerdere Cylinder-vormen die als Hole zijn ingesteld.

Ronde gaten hebben een voordeel: ze hebben geen scherpe binnenhoeken.

Scherpe binnenhoeken kunnen plaatsen worden waar spanning zich concentreert.

Bij normale kleine 3D-geprinte behuizingen is dit effect vaak beperkt, maar ronde openingen zijn constructief meestal vriendelijk.

Ze kunnen ook gemakkelijker te printen zijn.

Een patroon van gaten met bijvoorbeeld een diameter van 4 mm kan daarom een prima ventilatierooster vormen.

Denk aan printbaarheid van horizontale openingen

Een ventilatiesleuf in een verticale wand print meestal zonder bijzondere problemen.

Maar een opening kan ook een klein bruggetje veroorzaken.

Een bridge ontstaat wanneer de printer materiaal horizontaal over een open ruimte moet leggen zonder ondersteuning eronder.

Een smalle horizontale ventilatiesleuf betekent bijvoorbeeld dat de bovenkant van de sleuf als brug wordt geprint.

Bij een opening van enkele millimeters gaat dat vaak goed.

Wordt de opening veel breder, dan kan het materiaal gaan doorhangen.

Dit is een goed voorbeeld van waarom het ontwerp en het printproces niet volledig los van elkaar staan.

Een opening kan er in Tinkercad perfect uitzien, maar toch lastig te printen zijn.

Druppelvormige en schuine openingen

Als je minder brugvorming wilt, kun je ook nadenken over vormen waarbij de bovenzijde niet volledig horizontaal is.

Bijvoorbeeld een opening met een schuin of afgerond dak.

De printer hoeft dan steeds maar een klein stukje verder naar binnen te bouwen.

Dit principe wordt vaker gebruikt bij gaten die horizontaal worden geprint.

In Tinkercad kun je zulke vormen opbouwen uit eenvoudige geometrie.

Voor een eerste behuizing hoeft dat meestal niet.

Maar het is goed om te weten dat de vorm van een ventilatieopening invloed kan hebben op de printbaarheid.

Maak een rooster niet fijner dan nodig

Een ventilatierooster met twintig kleine sleufjes kan er technisch uitzien.

Maar meer detail is niet automatisch beter.

Heel kleine openingen kunnen:

moeilijker printen;
sneller dichtlopen door slicerinstellingen;
gemakkelijker vervormen;
weinig extra lucht doorlaten.

Gebruik daarom liever een eenvoudig patroon dat duidelijk printbaar is.

Bij een 0,4 mm nozzle zijn ventilatiesleuven van enkele millimeters breed meestal veel verstandiger dan extreem fijne roosters.

Ontwerp wat de printer betrouwbaar kan maken.

Niet wat alleen op het scherm mooi oogt.

Denk ook aan vuil en stof

Een grotere opening geeft meestal betere luchtstroming.

Maar laat ook gemakkelijker vuil naar binnen.

Dat is vooral belangrijk in een werkplaats.

Een open behuizing vlak bij zagen, boren of schuren verzamelt sneller stof dan dezelfde behuizing in een woonkamer.

Je kunt daarom kiezen voor smallere sleuven of een intern scherm.

Dat scherm hoeft niet direct tegen de buitenste opening te zitten.

Je kunt bijvoorbeeld achter een rij ventilatiesleuven een tweede wandje plaatsen.

Lucht kan dan nog steeds langs het wandje bewegen, terwijl vuil niet rechtstreeks naar binnen valt.

Dat heet soms een labyrintconstructie.

Je maakt als het ware geen rechte doorgang naar de elektronica.

Ventilatie en vocht zijn verschillende problemen

Ventilatieopeningen beschermen niet tegen vocht.

Sterker nog: ze maken het gemakkelijker voor vocht om binnen te komen.

Voor een binnenbehuizing is dat meestal geen probleem.

Voor een buitensensor wel.

Daar moet je onderscheid maken tussen:

luchtuitwisseling;
regenbescherming;
condens;
waterdichtheid.

Een temperatuur- en luchtvochtigheidssensor heeft vaak juist contact met buitenlucht nodig.

De elektronica erachter wil je beschermen.

Dat kan betekenen dat je de sensor in een apart geventileerd gedeelte plaatst.

Een voorbeeld is een weerstation met lamellen of een stralingsschild. Lucht kan vrij door de constructie bewegen, maar directe regen en zon worden zoveel mogelijk geweerd.

Een paar sleuven in een gesloten doos zijn daarvoor meestal niet voldoende.

Controleer hoeveel materiaal je werkelijk hebt verwijderd

Wanneer je meerdere gaten dupliceert, kan het ventilatierooster groter worden dan je aanvankelijk dacht.

Bekijk daarom na afloop de hele wand.

Niet alleen de openingen.

Vraag jezelf af:

Zie ik nog een stevige wand met ventilatieopeningen, of zie ik eigenlijk vooral een rooster met een beetje wand eromheen?

Bij het tweede geval heb je waarschijnlijk te veel materiaal verwijderd.

Maak dan één verandering tegelijk.

Bijvoorbeeld:

één sleuf minder;
sleuven iets smaller;
meer afstand tussen de openingen;
grotere rand rondom het rooster.

Bekijk daarna opnieuw het resultaat.

Een eenvoudige ontwerpoefening

Neem een behuizing met een zijwand van ongeveer 80 × 40 mm.

Maak eerst vijf ventilatiesleuven.

Gebruik bijvoorbeeld:

sleufbreedte: 4 mm;
sleufhoogte: 20 mm;
tussenruimte: 3 mm.

Plaats de groep ongeveer midden op de wand.

Laat rondom duidelijk materiaal staan.

Bekijk het model vanuit verschillende hoeken.

Voorspel nu:

waar de wand het gemakkelijkst zou buigen;
welke delen nog stevig zijn;
waar je eventueel een extra sleuf zou kunnen toevoegen.

Maak vervolgens tijdelijk een tweede versie met veel grotere sleuven.

Vergelijk de twee.

Je zult vaak al aan het model kunnen zien dat de tweede variant minder stevig oogt.

Dat gevoel voor verhoudingen wordt belangrijker naarmate je meer behuizingen ontwerpt.

Print eventueel alleen een testwand

Je hoeft niet altijd een complete behuizing te printen om ventilatieopeningen te testen.

Maak bijvoorbeeld een losse plaat van dezelfde dikte als je behuizing.

Zet daarin het ventilatiepatroon.

Print alleen die plaat.

Daarmee kun je snel controleren:

of de sleuven goed worden geprint;
of bridges netjes blijven;
hoe sterk de resterende stroken zijn;
of het rooster gemakkelijk buigt.

Dit kost veel minder materiaal dan een volledige behuizing.

Het is opnieuw hetzelfde principe dat in deze gids steeds terugkomt:

test één onzeker onderdeel voordat je het hele ontwerp maakt.

Ventilatie kan ook onderdeel van het uiterlijk zijn

Functionele onderdelen hoeven niet lelijk te zijn.

Als de openingen eenmaal technisch kloppen, kun je kijken naar de verdeling.

Zijn de afstanden gelijk?

Staan de sleuven netjes uitgelijnd?

Past het rooster bij andere vormen in de behuizing?

Je kunt bijvoorbeeld dezelfde afstand gebruiken tussen ventilatiesleuven als tussen andere zichtbare onderdelen.

Maar doe dit in de juiste volgorde.

Eerst functie.

Dan stevigheid.

Dan printbaarheid.

Pas daarna uiterlijk.

Een mooi rooster dat slecht ventileert of de wand verzwakt, is geen verbetering.

Wat je uit dit hoofdstuk kunt meenemen

Ventilatieopeningen lijken misschien een klein detail, maar ze beïnvloeden zowel de temperatuur als de constructie van je behuizing.

Je hoeft daarom niet automatisch overal gaten te maken.

Bepaal eerst waarom lucht moet kunnen bewegen en waar die lucht langs moet stromen.

Gebruik daarna bij voorkeur meerdere kleinere openingen in plaats van één groot gat. Laat voldoende materiaal tussen de openingen staan en houd afstand van hoeken, schroefpilaren en andere bevestigingspunten.

Denk ook aan de manier waarop de printer de openingen moet maken. Vooral brede horizontale sleuven kunnen brugvorming veroorzaken.

Voor een eerste ontwerp werkt een eenvoudig patroon meestal het betrouwbaarst.

En als je twijfelt, print dan alleen een kleine testwand.

Tot nu toe hebben we vooral gekeken naar wat een behuizing functioneel nodig heeft: ruimte, toleranties, een deksel, bevestigingspunten en ventilatie.

Maar een ontwerp dat technisch klopt in Tinkercad is nog niet automatisch een goed 3D-printbaar ontwerp.

In het volgende hoofdstuk kijken we daarom naar het grotere geheel: ontwerpen met de 3D-printer in gedachten.