Wanddikte, bodem en verstevigingen bepalen

In het vorige hoofdstuk heb je gezien hoe je met Hole en Group openingen kunt maken voor bijvoorbeeld een USB-connector, kabel, schakelaar of ventilatiegat. Daarmee begint een behuizing al behoorlijk op een echt onderdeel te lijken.

Maar een behuizing is niet alleen een vorm met gaten erin.

Hij moet ook sterk genoeg zijn om vast te pakken, te monteren en te printen. De bodem mag niet zo dun zijn dat hij krom trekt. De wanden mogen niet breken wanneer je een connector insteekt. En als je later een printplaat of deksel wilt vastschroeven, moet er voldoende materiaal aanwezig zijn.

Daarom kijken we in dit hoofdstuk naar drie onderdelen die veel invloed hebben op de bruikbaarheid van je ontwerp:

• de wanddikte;
• de bodemdikte;
• plaatselijke verstevigingen.

Het doel is niet om alles zo dik mogelijk te maken. Een goede behuizing gebruikt materiaal waar dat nodig is en laat het weg waar het weinig toevoegt.

Een sterke behuizing hoeft niet massief te zijn

Wanneer je voor het eerst een behuizing tekent, is het verleidelijk om dikke wanden te gebruiken.

Dat voelt veilig.

Als 2 millimeter stevig is, dan zal 5 millimeter wel beter zijn.

Mechanisch klopt dat soms, maar voor een 3D-geprinte behuizing heeft extra materiaal ook nadelen. De print duurt langer, gebruikt meer filament en wordt zwaarder. Dikke delen kunnen bovendien anders afkoelen dan dunne delen, waardoor vervorming kan ontstaan.

De betere vraag is daarom niet:

Hoe dik kan ik deze wand maken?

Maar:

Hoe dik moet deze wand zijn voor zijn functie?

Een klein kastje voor een temperatuursensor stelt andere eisen dan een behuizing voor een zwaar bedieningspaneel.

Wanddikte is een ontwerpkeuze

Met wanddikte bedoelen we de afstand tussen de buitenkant en de binnenkant van de behuizing.

Stel dat je buitenmaat 80 × 50 millimeter is en je gebruikt rondom een wand van 2 millimeter. Dan blijft aan de binnenzijde ongeveer 76 × 46 millimeter over.

Dat verschil lijkt klein, maar het telt snel op.

Wanneer je een printplaat van 75 millimeter breed in die behuizing wilt plaatsen, wordt het ineens krap.

Daarom hoort wanddikte al vroeg bij je maatvoering.

Een praktisch beginpunt

Voor veel kleine elektronica-behuizingen is een wanddikte van ongeveer 2 millimeter een bruikbaar vertrekpunt.

Dat is geen vaste regel.

Een kleine beschermkap kan dunner. Een grotere behuizing of een deel waarin je regelmatig een stekker duwt, kan juist meer materiaal nodig hebben.

Denk bijvoorbeeld aan een kastje in De Werkplaats met een ESP32, een SHT41 en een USB-aansluiting.

De lange zijwanden hoeven misschien maar 2 millimeter dik te zijn. Rond de USB-opening kun je lokaal extra materiaal toevoegen, omdat daar tijdens aansluiten en losmaken krachten ontstaan.

Je maakt dus niet automatisch de hele behuizing dikker.

Je versterkt de plek waar dat nodig is.

Wanddikte maken in Tinkercad

Een eenvoudige manier om een holle behuizing te maken, is werken met twee dozen:

• een buitenste Box;
• een iets kleinere Box die je als Hole gebruikt.

De Hole-vorm trek je als het ware uit de buitenste vorm.

Stel dat de buitenmaat van je behuizing is:

• breedte: 80 mm;
• diepte: 50 mm;
• hoogte: 25 mm.

Je wilt wanden van 2 millimeter.

De binnenste Hole-vorm wordt dan in de breedte en diepte telkens twee wanddiktes kleiner:

• binnenbreedte: 80 − 4 = 76 mm;
• binnendiepte: 50 − 4 = 46 mm.

Als je ook aan de onderzijde een bodem wilt houden, mag de Hole-vorm niet helemaal door de behuizing heen lopen.

Daar komen we zo op terug.

Eerst voorspellen

Voordat je de vormen groepeert, probeer je voor te stellen wat er gaat gebeuren.

De Hole-vorm is aan alle kanten 2 millimeter kleiner dan de buitenvorm.

Als beide vormen precies in het midden staan, hoeveel materiaal blijft er dan links en rechts over?

2 millimeter.

Hetzelfde geldt voor de voor- en achterzijde.

Daarna controleren

Gebruik Align om de binnenste en buitenste vorm netjes te centreren.

Draai daarna de camera een paar keer rond het object.

Kijk vooral naar:

• de linker- en rechterwand;
• de voor- en achterwand;
• de afstand van de Hole-vorm tot de bodem.

Groeperen is pas de laatste stap.

Wanneer iets vóór het groeperen niet klopt, wordt het na het groeperen niet vanzelf beter.

Vergeet de bodem niet

Bij een holle behuizing is de bodem gemakkelijk per ongeluk te dun of zelfs helemaal weg te snijden.

Dat gebeurt vooral wanneer de Hole-vorm even hoog is als de buitenvorm en precies op het werkvlak staat.

De uitsparing loopt dan helemaal door het model.

Je houdt vier wanden over, maar geen bodem.

Om een bodem te bewaren, moet de Hole-vorm iets omhoog worden geplaatst.

Stel opnieuw dat je een bodem van 2 millimeter wilt.

Dan laat je de onderkant van de Hole-vorm 2 millimeter boven de onderkant van de behuizing beginnen.

Daarmee blijft onder de holte een laag materiaal staan.

Hoe dik moet de bodem zijn?

Voor een klein elektronica-kastje kun je ook voor de bodem ongeveer 2 millimeter als beginwaarde gebruiken.

Maar kijk opnieuw naar de functie.

Een bodem kan verschillende dingen moeten doen:

• alleen de elektronica afsluiten;
• een printplaat ondersteunen;
• schroefpunten dragen;
• aan een muur worden bevestigd;
• druk van buitenaf opvangen.

Wanneer je bijvoorbeeld bevestigingsgaten in de bodem maakt om de hele behuizing aan een houten plaat te schroeven, kan het verstandig zijn om rond die gaten extra materiaal te plaatsen.

Ook hier geldt: niet noodzakelijk overal dikker maken.

Een veelgemaakte fout: binnenruimte vergeten

Stel dat je een behuizing van 30 millimeter hoog hebt gemaakt.

Dat klinkt ruim.

Daarna maak je:

• een bodem van 3 mm;
• een deksel van 3 mm;
• afstandhouders van 5 mm;
• een printplaat van ongeveer 1,6 mm dik.

Dan blijft er boven de printplaat veel minder vrije hoogte over dan je aanvankelijk dacht.

En daar moeten misschien nog connectoren, kabels of sensoren tussen passen.

De buitenmaat zegt daarom maar een deel van het verhaal.

Wat uiteindelijk telt, is de bruikbare binnenruimte.

Maak er een gewoonte van om niet alleen de buitenmaten op te schrijven, maar ook de binnenmaten.

Bijvoorbeeld:

Dat hoeft geen ingewikkelde berekening te worden.

Je wilt alleen voorkomen dat wand- en bodemdikte pas aan het einde van je ontwerp aandacht krijgen.

Niet iedere wand wordt op dezelfde manier belast

Een wand kan sterk genoeg zijn bij rustig gebruik en toch bezwijken op een bepaalde plek.

Denk aan een USB-connector.

Iedere keer wanneer je de kabel aansluit, druk je tegen de connector en indirect tegen de wand van de behuizing.

Een opening voor een sensor heeft die belasting waarschijnlijk niet.

Hetzelfde geldt voor:

• drukknoppen;
• tuimelschakelaars;
• wartels;
• banaanstekkers;
• voedingsconnectoren;
• montagegaten.

Daarom zijn plaatselijke verstevigingen nuttig.

Wat is een versteviging?

Een versteviging is extra materiaal op een plek waar je meer stijfheid of sterkte nodig hebt.

Je kunt bijvoorbeeld achter een dunne wand een extra rechthoekig blok plaatsen.

Dat blok wordt onderdeel van de wand wanneer je beide vormen groepeert.

Van buitenaf verandert er misschien helemaal niets.

Aan de binnenzijde ontstaat alleen wat extra materiaal.

Dat kan voldoende zijn om een connectoropening veel steviger te maken.

Versterken rond een connector

Stel dat je in de zijwand een rechthoekige opening hebt gemaakt voor een USB-connector.

De wand is 2 millimeter dik.

In plaats van de hele wand 4 millimeter dik te maken, kun je aan de binnenzijde rond de connector een extra blok toevoegen.

Bijvoorbeeld:

• 30 mm breed;
• 18 mm hoog;
• 2 mm extra dik.

Daarna maak je dezelfde connectoruitsparing door zowel de gewone wand als de versteviging.

Het resultaat is dat het gebied rond de connector ongeveer 4 millimeter dik is, terwijl de rest van de behuizing 2 millimeter blijft.

Dat scheelt materiaal en houdt de binnenruimte grotendeels beschikbaar.

Ribben gebruiken

Bij langere wanden kun je ook ribben gebruiken.

Een rib is een smalle strook materiaal die haaks op een wand staat.

Je kunt het vergelijken met de planken in een boekenkast.

Een brede dunne plaat kan gemakkelijk buigen. Voeg je er haaks een aantal stroken aan toe, dan wordt de constructie veel stijver.

In een behuizing kun je een rib maken met een smalle Box.

Bijvoorbeeld:

• 2 mm dik;
• 5 mm diep;
• bijna even hoog als de binnenwand.

Plaats hem tegen de binnenzijde van een lange wand.

Je hoeft er niet meteen tien te gebruiken. Begin met één of twee en kijk of dat logisch is voor je ontwerp.

Hoeken zijn van zichzelf al relatief sterk

Niet ieder deel van een behuizing heeft dezelfde hoeveelheid versteviging nodig.

Een vlakke lange wand kan relatief gemakkelijk doorbuigen.

Een hoek is veel stijver, omdat twee wanden elkaar ondersteunen.

Daarom zie je bij kunststof producten vaak dat verstevigingen vooral worden aangebracht:

• midden op lange vlakken;
• rond schroefpunten;
• rond connectoren;
• bij uitstekende delen.

Dat is een nuttige manier om ook naar je eigen model te kijken.

Vraag niet alleen:

Is deze wand dik genoeg?

Vraag ook:

Waar kan deze wand bewegen?

Probeer een wand bewust te beoordelen

Neem je huidige oefenbehuizing en draai hem zo dat je tegen de langste zijwand kijkt.

Stel je nu voor dat je met je duim midden op die wand drukt.

Waar zou hij waarschijnlijk het meeste doorbuigen?

Niet bij de hoeken.

Waarschijnlijk ergens rond het midden.

Dat is een goede kandidaat voor een rib als de wand groot en relatief dun is.

Je hoeft daarvoor geen ingewikkelde sterkteberekeningen uit te voeren.

Alleen al nadenken over de richting van de kracht helpt je betere keuzes maken.

Verstevigingen rond schroefpunten

Schroefpunten verdienen bijzondere aandacht.

Een schroef brengt een kracht op een heel klein oppervlak over.

Wanneer je simpelweg een gat door een dunne bodem maakt, kan het materiaal rond dat gat beschadigen of vervormen.

Een eenvoudige oplossing is een dikkere zone rond het gat.

Je kunt bijvoorbeeld een korte Cylinder toevoegen en daarin een kleinere Hole-cylinder plaatsen.

Je krijgt dan een ring van materiaal rond de schroef.

Later kun je zo'n vorm ook gebruiken als basis voor een afstandhouder of montagepunt.

Dat komt in volgende hoofdstukken uitgebreider terug.

Voor nu is vooral het principe belangrijk:

Concentreer materiaal rond plekken waar krachten worden overgebracht.

Pas op dat verstevigingen geen obstakels worden

Extra materiaal is alleen nuttig wanneer het niet iets anders in de weg zit.

Een rib kan bijvoorbeeld precies terechtkomen waar later:

• een printplaat moet liggen;
• een kabel moet lopen;
• een connector uitsteekt;
• een sensor lucht nodig heeft.

Daarom is het verstandig om verstevigingen niet als laatste decoratie toe te voegen.

Ze horen bij de indeling van de binnenruimte.

Een behuizing is uiteindelijk een verzameling onderdelen die allemaal dezelfde ruimte moeten delen.

Gebruik tijdelijke vormen om ruimte zichtbaar te maken

Je kunt jezelf helpen door eenvoudige vormen te gebruiken als tijdelijke modellen.

Maak bijvoorbeeld een Box met ongeveer de afmetingen van je printplaat.

Geef hem een opvallende kleur en plaats hem in de behuizing.

Je hoeft de elektronische onderdelen nog niet exact na te tekenen.

Het gaat er alleen om dat je kunt zien:

• waar de printplaat komt;
• hoeveel ruimte er langs de wanden overblijft;
• of een versteviging in de weg zit.

Zo wordt een fout zichtbaar voordat je een echte print maakt.

Denk ook aan de printer

Bij het bepalen van wanddiktes is het nuttig om rekening te houden met hoe een FDM-printer materiaal opbouwt.

Een veelgebruikte nozzle heeft een diameter van ongeveer 0,4 millimeter.

De slicer maakt een wand meestal uit meerdere naast elkaar liggende lijnen filament.

Daarom zijn wanddiktes die logisch aansluiten op meerdere printlijnen vaak praktischer dan willekeurige zeer dunne waarden.

Je hoeft daarvoor in Tinkercad nog niet iedere lijnbreedte uit te rekenen.

Maar een wand van bijvoorbeeld 0,5 millimeter is voor een gewone behuizing meestal geen logisch uitgangspunt.

Een wand van ongeveer 2 millimeter geeft de slicer veel meer gelegenheid om meerdere degelijke wandlijnen te maken.

De precieze uitkomst hangt af van je printer, nozzle, materiaal en slicerinstellingen.

PLA en PETG gedragen zich niet hetzelfde

Ook het materiaal speelt mee.

PLA is relatief stijf. Daardoor voelt een dunne PLA-wand al snel stevig aan, maar hij kan bij een harde belasting vrij plotseling breken.

PETG is meestal wat taaier en flexibeler. Een wand kan daardoor iets meer meegeven zonder direct te breken.

Dat betekent niet dat je voor ieder materiaal compleet andere ontwerpen moet maken.

Wel is het goed te beseffen dat “stevig” niet alleen door de maat wordt bepaald.

Voor een eerste prototype is het vooral belangrijk dat je consequent werkt.

Kies bijvoorbeeld 2 millimeter wanddikte, print het onderdeel en beoordeel daarna wat je werkelijk ziet en voelt.

Een proefstukje kan meer vertellen dan rekenen

Wanneer je twijfelt tussen bijvoorbeeld 1,5 en 2 millimeter wanddikte, hoef je niet meteen een volledige behuizing te printen.

Maak een eenvoudig proefstuk.

Bijvoorbeeld een U-vormig onderdeel met drie verschillende stukken wand:

• 1,5 mm;
• 2,0 mm;
• 2,5 mm.

Print dat kleine onderdeel en probeer de wanden voorzichtig te buigen.

Je leert daarmee niet alleen iets over de maat, maar ook over:

• je printer;
• je filament;
• je slicerinstellingen;
• de richting waarin het onderdeel is geprint.

Een kleine proefprint kost weinig materiaal en kan een lange mislukte print voorkomen.

Printoriëntatie beïnvloedt de sterkte

Een 3D-print wordt laag voor laag opgebouwd.

Daardoor is de sterkte niet in iedere richting exact hetzelfde.

Twee lagen kunnen gemakkelijker van elkaar loskomen dan een doorlopende lijn filament kan breken.

Dat betekent dat een onderdeel dat op papier sterk genoeg lijkt, toch zwak kan zijn wanneer een belasting precies tussen de lagen trekt.

Bij een eenvoudige rechthoekige behuizing hoef je daar nog niet voortdurend mee bezig te zijn.

Maar bij uitstekende lipjes, klemmen of dunne bevestigingspunten wordt printoriëntatie steeds belangrijker.

Dat behandelen we later uitgebreider.

Voor nu is het voldoende om te onthouden:

dikte, vorm en printrichting werken samen.

Maak niet alles tegelijk ingewikkeld

Het is gemakkelijk om bij dit onderwerp meteen te denken aan ribben, afgeronde hoeken, montagebussen, schroefverbindingen en allerlei verstevigingen.

Maar houd dezelfde werkwijze aan als in de vorige hoofdstukken.

Verander één ding tegelijk.

Begin bijvoorbeeld met:

• buitenmaat;
• wanddikte;
• bodemdikte;
• één connectoropening;
• één plaatselijke versteviging.

Controleer na iedere stap wat er veranderd is.

Pas daarna voeg je meer details toe.

Oefening: maak een stevige basisbehuizing

Gebruik een eenvoudige rechthoekige behuizing als oefening.

Maak bijvoorbeeld een buitenvorm van:

• 80 mm breed;
• 50 mm diep;
• 25 mm hoog.

Gebruik vervolgens een Hole-vorm om de binnenruimte te maken.

Probeer:

• wanddikte: 2 mm;
• bodemdikte: 2 mm.

Voeg daarna aan één lange zijwand een connectoropening toe.

Maak rond die opening aan de binnenzijde een lokale versteviging van ongeveer 2 millimeter extra.

Voeg ten slotte midden op de tegenoverliggende lange wand één smalle rib toe.

Voordat je groepeert

Voorspel eerst:

• Welke delen worden 2 millimeter dik?
• Waar wordt de wand dikker?
• Blijft de bodem overal aanwezig?
• Steekt de rib in de bruikbare binnenruimte?

Na het groeperen

Draai het model rond en controleer:

• zijn de wanden overal ongeveer even dik?
• zit de Hole-vorm echt in het midden?
• is de bodem nog zichtbaar?
• zit de connectoropening op de juiste plaats?
• loopt de opening ook door de versteviging?
• neemt de rib niet onnodig veel ruimte in?

Wanneer iets niet klopt, probeer niet meteen meerdere onderdelen te veranderen.

Ga terug naar het onderdeel dat de fout veroorzaakt en pas alleen dat aan.

Wanneer is het stevig genoeg?

Zonder berekeningen kun je nooit met absolute zekerheid zeggen hoe sterk een onderdeel wordt.

Maar voor een gewone hobbybehuizing hoef je dat meestal ook niet.

Je kunt met een aantal eenvoudige vragen al ver komen:

• Kan de wand tijdens normaal gebruik worden ingedrukt?
• Wordt er regelmatig tegen een connector geduwd?
• Draagt dit deel een schroef?
• Zit er een groot vlak zonder ondersteuning?
• Is extra materiaal hier nuttig of alleen maar zwaar?
• Houd ik nog voldoende binnenruimte over?

Een goede eerste behuizing hoeft niet perfect geoptimaliseerd te zijn.

Hij moet vooral logisch opgebouwd en controleerbaar zijn.

De eerste print is onderdeel van het ontwerp

Op het scherm kun je veel beoordelen, maar niet alles.

Pas bij een echte print merk je bijvoorbeeld:

• hoe stijf een wand aanvoelt;
• of de bodem vlak blijft;
• of een connectoropening verzwakt;
• of een rib werkelijk nodig is;
• of je teveel materiaal hebt gebruikt.

Zie die eerste print daarom niet als het eindproduct.

Zie hem als een meetinstrument.

Als een wand te slap blijkt, heb je iets geleerd.

Maak hem iets dikker of voeg een rib toe.

Wanneer een wand overdreven massief blijkt, kun je juist materiaal verwijderen.

Dat is ontwerpen: voorspellen, maken, waarnemen en aanpassen.

Wat je uit dit hoofdstuk kunt meenemen

Een behuizing wordt niet beter door hem overal zo dik mogelijk te maken.

Voor veel kleine elektronica-behuizingen is ongeveer 2 millimeter een bruikbaar vertrekpunt voor wanden en bodem, maar de juiste maat hangt af van de functie, de afmetingen, het materiaal en de manier waarop het onderdeel wordt belast.

Houd daarbij vooral deze principes vast:

• denk in bruikbare binnenmaten, niet alleen in buitenmaten;
• bepaal wand- en bodemdikte bewust;
• gebruik extra materiaal vooral waar krachten optreden;
• lange vlakke wanden kunnen baat hebben bij ribben;
• versterk connector- en schroefpunten plaatselijk;
• controleer of verstevigingen geen elektronica of kabels in de weg zitten;
• gebruik kleine proefprints wanneer je twijfelt;
• behandel een te dunne of te dikke eerste print als informatie voor je volgende versie.

Je hebt nu een behuizing die niet alleen een buitenvorm en openingen heeft, maar ook een bruikbare constructie begint te worden.

De volgende vraag is daarom vanzelfsprekend: waar moet de elektronica zelf komen?

In het volgende hoofdstuk, “Ruimte maken voor printplaten, sensoren en connectoren”, gaan we de binnenkant van de behuizing indelen. Dan kijken we niet meer alleen naar de wand, maar naar de onderdelen die er uiteindelijk werkelijk in moeten passen.