Zo zoek je systematisch naar een ontwerpfout

In het vorige hoofdstuk hebben we gekeken naar fouten die vaak terugkomen bij behuizingen. Een connector zit net niet goed, een printplaat klemt, een deksel sluit niet netjes of een schroefpilaar blijkt na het printen precies op de verkeerde plek te zitten.

Het lastige is dat zo'n fout zelden vertelt waar hij vandaan komt.

Als een deksel niet sluit, kan het probleem in het deksel zitten. Maar net zo goed in de wanddikte, een te hoge component, een verkeerd gemeten printplaat of een tolerantie die je nergens hebt meegenomen.

Daarom helpt willekeurig aanpassen meestal niet.

Je maakt dan ergens 1 millimeter extra ruimte, print opnieuw en ontdekt vervolgens dat het probleem nog steeds bestaat — of dat je er een tweede probleem bij hebt gekregen.

Een betere aanpak is om een ontwerpfout stap voor stap terug te brengen tot één duidelijke oorzaak.

Dat is wat je in dit hoofdstuk gaat doen.

Niet gokken wat er mis is, maar voorspellen, meten, controleren en telkens maar één ding veranderen.

Een fout is een aanwijzing

Bij een eerste proefprint is het verleidelijk om vooral te kijken of de behuizing "goed" of "fout" is.

Dat onderscheid is eigenlijk te grof.

Een proefprint vertelt je veel meer.

Stel dat je in De Werkplaats een kleine behuizing maakt voor een ESP32 met een sensor en een USB-aansluiting. Na de eerste print merk je het volgende:

• de ESP32 past goed tussen de wanden;
• de bevestigingsgaten kloppen;
• de USB-stekker kan niet helemaal naar binnen;
• het deksel klemt aan één zijde.

Dan is de behuizing niet simpelweg mislukt.

Een groot deel van je ontwerp blijkt juist goed te zijn.

Je hoeft dus niet opnieuw te beginnen. Je hoeft alleen uit te zoeken waarom die twee onderdelen niet kloppen.

Dat verschil is belangrijk.

Hoe gerichter je naar een fout kijkt, hoe minder onderdelen van het ontwerp je opnieuw hoeft te veranderen.

Beschrijf eerst wat je werkelijk ziet

Begin een probleem niet met een verklaring.

Begin met een waarneming.

Dus niet:

De USB-opening is te klein.

Maar:

De kunststof behuizing van de USB-stekker raakt de rechterkant van de opening voordat de stekker volledig is ingestoken.

Die tweede beschrijving is veel bruikbaarder.

Misschien is de opening namelijk helemaal niet te klein. Misschien zit hij 1 millimeter te ver naar links.

Hetzelfde geldt voor een deksel.

Niet:

Het deksel past niet.

Maar bijvoorbeeld:

De linkerzijde klikt vast, maar rechts blijft ongeveer 1 millimeter boven de rand staan.

Nu heb je iets dat je kunt onderzoeken.

Probeer daarom bij een fout altijd drie dingen vast te leggen:

• Waar zie je het probleem?
• Wat raakt, klemt of wijkt af?
• Hoeveel wijkt het ongeveer af?

Die laatste waarde hoeft nog niet perfect te zijn. Ook een eerste schatting helpt.

Probeer de fout eerst te voorspellen

Voordat je Tinkercad opent en maten gaat veranderen, stel je jezelf eerst een eenvoudige vraag:

Wat zou deze fout kunnen veroorzaken?

Bij het USB-voorbeeld zijn bijvoorbeeld verschillende oorzaken mogelijk:

• de opening is te smal;
• de opening staat te ver naar links;
• de printplaat staat verkeerd in de behuizing;
• de USB-connector zit niet precies waar je dacht;
• de kunststof stekker is breder dan de metalen connector;
• de wand van de behuizing is zo dik dat de stekkerbehuizing ertegenaan loopt.

Dat zijn heel verschillende problemen.

Toch kunnen ze tijdens het proefpassen bijna hetzelfde lijken.

Maak daarom eerst een korte voorspelling.

Bijvoorbeeld:

Ik denk dat de opening breed genoeg is, maar ongeveer 1 millimeter te ver naar links staat.

Daarna probeer je precies dát te controleren.

Dit voorkomt dat je in Tinkercad direct meerdere maten tegelijk gaat veranderen.

Controleer het fysieke onderdeel opnieuw

Veel ontwerpfouten ontstaan niet in Tinkercad.

Ze ontstaan al eerder, tijdens het meten.

Daarom is het verstandig om bij een onverklaarbare fout terug te gaan naar het echte onderdeel.

Meet opnieuw.

Gebruik bij voorkeur een schuifmaat wanneer de maat belangrijk is.

Controleer bijvoorbeeld:

• de werkelijke breedte van de printplaat;
• de afstand van een connector tot de rand van de printplaat;
• de hoogte van uitstekende componenten;
• de diameter van bevestigingsgaten;
• de plaats van schakelaars en sensoren.

Meet bij voorkeur niet slechts één keer.

Draai het onderdeel eventueel om en meet opnieuw vanaf een andere zijde.

Je probeert hiermee te ontdekken of je oorspronkelijke maat klopt.

Meet het onderdeel dat werkelijk ruimte nodig heeft

Een veelgemaakte fout is dat je alleen het technische onderdeel meet.

Neem opnieuw de USB-connector.

De metalen USB-C-aansluiting op een printplaat kan bijvoorbeeld vrij klein zijn. Maar de stekker die je erin moet steken heeft rondom een kunststof behuizing.

Die behuizing heeft óók ruimte nodig.

Hetzelfde geldt voor:

• Dupont-stekkers;
• JST-connectoren;
• voedingsstekkers;
• Ethernetkabels;
• sensorkabels;
• schroevendraaiers waarmee je later een schroef wilt bereiken.

Je ontwerpt dus niet alleen ruimte voor het onderdeel zelf, maar ook voor het gebruik ervan.

Controleer daarna de maat in Tinkercad

Als de fysieke maat klopt, controleer je dezelfde maat in je model.

Meet niet alleen het totale object.

Kijk juist naar de afstanden die de fout kunnen verklaren.

Bij een connectoropening kunnen dat bijvoorbeeld zijn:

• breedte van de opening;
• hoogte van de opening;
• afstand van opening tot bodem;
• afstand van opening tot linkerwand;
• afstand van printplaat tot linkerwand.

Je vergelijkt dus twee werkelijkheden:

wat je fysiek meet

en

wat je in Tinkercad hebt ontworpen.

Wanneer die niet overeenkomen, heb je waarschijnlijk de oorzaak al gevonden.

Werk vanaf een vast referentiepunt

Veel meetfouten ontstaan doordat verschillende maten vanaf verschillende kanten zijn genomen.

Stel dat een ESP32-printplaat 28 millimeter breed is.

De USB-connector zit 6 millimeter vanaf de linkerzijde.

In Tinkercad plaats je de opening echter door hem ongeveer in het midden van de behuizing te schuiven.

Dan heb je geen gemeenschappelijk referentiepunt.

Een referentiepunt is een vaste plek vanaf waar je andere maten bepaalt.

Bij een eenvoudige behuizing kan dat bijvoorbeeld zijn:

• de linker binnenwand;
• de bodem;
• de voorzijde van de behuizing.

Vanaf die punten kun je vervolgens controleren:

• waar de printplaat begint;
• waar de connector begint;
• waar de uitsparing begint.

Dat is betrouwbaarder dan onderdelen op het oog ten opzichte van elkaar plaatsen.

Voorbeeld

Stel:

• linker binnenwand naar printplaat: 3 mm;
• connector vanaf linkerzijde printplaat: 5 mm.

Dan verwacht je dat het midden van die connector ongeveer 8 millimeter vanaf de linker binnenwand ligt, afhankelijk van hoe je de connector hebt gemeten.

Je kunt dat in Tinkercad controleren.

Zo verander je een visueel probleem in een maatprobleem.

En maatproblemen zijn meestal veel eenvoudiger op te lossen.

Verander maar één variabele tegelijk

Dit is waarschijnlijk de belangrijkste regel bij het oplossen van ontwerpfouten.

Verander steeds maar één ding tegelijk.

Stel dat het deksel klemt.

Je zou tegelijk kunnen:

• het deksel 0,5 mm groter maken;
• de wand dunner maken;
• de kliklip korter maken;
• de speling vergroten.

Maar als het daarna wel past, weet je niet welke verandering nodig was.

Misschien was slechts één aanpassing voldoende.

Daarom verander je eerst bijvoorbeeld alleen de speling.

Print of test opnieuw.

Past het nu beter?

Dan weet je dat je in de goede richting zoekt.

Past het precies hetzelfde?

Dan was die speling waarschijnlijk niet de hoofdoorzaak.

Een mislukte wijziging levert dus ook informatie op.

Maak het verschil bewust groter

Soms is een verandering van 0,1 of 0,2 millimeter zo klein dat je bij een proefprint nauwelijks kunt beoordelen of het verschil helpt.

Dan kan het nuttig zijn om tijdelijk een grotere aanpassing te maken.

Stel dat je vermoedt dat een connectoropening 0,5 millimeter te smal is.

Je zou hem eerst 1 millimeter breder kunnen maken.

Als de connector daarna duidelijk probleemloos past, weet je vrijwel zeker dat je op de juiste plek zoekt.

Daarna kun je de maat verfijnen.

Dat is soms sneller dan drie proefprints maken met telkens 0,2 millimeter verschil.

Je gebruikt de grotere wijziging dan niet meteen als definitieve maat.

Je gebruikt hem als test.

Knip het ontwerp denkbeeldig in delen

Wanneer een behuizing ingewikkelder wordt, helpt het om niet naar het hele model tegelijk te kijken.

Verdeel het probleem in kleinere gebieden.

Bijvoorbeeld:

• buitenvorm;
• binnenruimte;
• bevestiging van de printplaat;
• connectoropeningen;
• deksel;
• ventilatie;
• schroefverbindingen.

Als de USB-stekker niet past, hoef je voorlopig niets te veranderen aan ventilatie, schroefpilaren of de vorm van het deksel.

Je beperkt je onderzoek tot:

• printplaatpositie;
• connectorpositie;
• opening;
• wand rondom de opening.

Dat verkleint het aantal mogelijke oorzaken enorm.

Gebruik doorsneden in gedachten

Tinkercad heeft niet dezelfde uitgebreide doorsnedeweergaven als professionele CAD-programma's.

Toch kun je wel denken alsof je het ontwerp doorsnijdt.

Kijk bijvoorbeeld naar een zijaanzicht en stel je voor dat je de voorste helft van de behuizing verwijdert.

Je kijkt dan alleen naar:

• bodem;
• printplaat;
• componenthoogte;
• binnenzijde van het deksel.

Bij een deksel dat niet sluit kun je jezelf afvragen:

Wat is op dit punt het hoogste onderdeel?

En vervolgens:

Hoeveel ruimte heb ik tussen dat onderdeel en de binnenzijde van het deksel?

Stel dat een connector 12,5 mm boven de printplaat uitsteekt.

De printplaat staat 3 mm boven de bodem.

Dan ligt de bovenkant van de connector ongeveer:

3 + 12,5 = 15,5 mm

boven de bodem.

Als de binnenzijde van het deksel op 15 mm hoogte ligt, heb je de oorzaak waarschijnlijk gevonden.

Dat is veel betrouwbaarder dan alleen naar het model draaien en denken dat het "er ruim genoeg uitziet".

Gebruik eenvoudige rekenregels

Je hoeft voor een Tinkercad-behuizing geen ingewikkelde wiskunde te gebruiken.

Maar een paar simpele berekeningen voorkomen veel zoekwerk.

Bijvoorbeeld:

benodigde binnenhoogte = afstand bodem tot printplaat + componenthoogte + vrije ruimte

Of:

positie connectoropening = positie printplaat + positie connector op printplaat

Of:

buitenmaat = binnenmaat + 2 × wanddikte

Door deze relaties op papier te zetten, kun je snel zien waar een verschil ontstaat.

Een klein foutje kan zich opstapelen

Stel dat:

• je printplaat 0,5 mm verder naar rechts staat dan bedoeld;
• de connector in je meting 0,5 mm verkeerd is bepaald.

Dan ligt de opening uiteindelijk ongeveer 1 millimeter verkeerd.

Geen van beide fouten lijkt op zichzelf groot.

Samen worden ze zichtbaar.

Daarom is het nuttig om niet alleen naar de laatste maat te kijken, maar ook naar de maten waaruit die positie is opgebouwd.

Test niet altijd meteen de hele behuizing

Een complete behuizing opnieuw printen kost materiaal en tijd.

Voor een kleine wijziging is dat vaak niet nodig.

Stel dat je alleen wilt controleren of een USB-opening goed is.

Dan kun je een klein deel van de behuizing als testmodel namaken:

• een stukje wand;
• de opening;
• eventueel een klein deel van de bodem.

Print alleen dat onderdeel.

Zo'n teststukje kost misschien maar enkele minuten printtijd en een paar gram filament.

Hetzelfde kun je doen voor:

• klikverbindingen;
• schuifdeksels;
• schroefgaten;
• heat-set inserts;
• perspassingen;
• kabeldoorvoeren.

Een klein proefstuk geeft vaak sneller antwoord dan een complete nieuwe behuizing.

Markeer versies

Tijdens foutzoeken ontstaan gemakkelijk meerdere varianten.

Bijvoorbeeld:

• opening 10,0 mm;
• opening 10,5 mm;
• opening 11,0 mm.

Na een paar prints weet je misschien niet meer welke versie je in handen hebt.

Maak daarom versies herkenbaar.

Dat kan bijvoorbeeld in de bestandsnaam:

ESP32-behuizing-v03

ESP32-behuizing-v04-usb-opening

ESP32-behuizing-v05-deksel

Je kunt bij kleine proefstukjes zelfs een maat in het model zetten.

Bijvoorbeeld een verhoogd getal:

0.4

0.6

0.8

Dan weet je later precies welke tolerantie je hebt getest.

Houd een klein ontwerplogboek bij

Je hoeft daarvoor geen uitgebreid documentatiesysteem te maken.

Een eenvoudige tabel of notitie is al genoeg.

Bijvoorbeeld:

Het belangrijkste onderdeel is niet alleen wat je hebt veranderd, maar ook waarom.

Schrijf vooraf op wat je verwacht.

Daarna vergelijk je die voorspelling met wat werkelijk gebeurt.

Zo bouw je kennis op over je printer, materiaal en ontwerpkeuzes.

Controleer of het probleem echt opgelost is

Wanneer een onderdeel eindelijk past, is het verleidelijk om meteen verder te gaan.

Controleer toch nog even wat er precies is verbeterd.

Bijvoorbeeld bij een connector:

• kan de stekker volledig worden ingestoken?
• raakt de stekker nergens de behuizing?
• kan de kabel normaal buigen?
• kan de stekker ook weer gemakkelijk worden verwijderd?

Bij een deksel:

• sluit het volledig?
• zit het niet te los?
• kun je het weer openen?
• vervormt de behuizing niet?

Een ontwerp kan namelijk van "te strak" naar "veel te los" gaan.

Passen alleen is niet altijd voldoende.

Het onderdeel moet ook bruikbaar blijven.

Let op de invloed van de printer

Wanneer de maten in Tinkercad lijken te kloppen maar de print toch afwijkt, kan het probleem ook buiten het model liggen.

Denk bijvoorbeeld aan:

• een eerste laag die te breed wordt gedrukt;
• gaten die kleiner uitvallen;
• kromtrekken van de print;
• materiaal dat krimpt;
• een printer die niet goed gekalibreerd is;
• supportmateriaal dat een oppervlak ruw maakt.

Daarom is het nuttig om soms ook het geprinte onderdeel zelf na te meten.

Stel dat je in Tinkercad een opening van 10,0 mm hebt gemaakt.

Na het printen meet je 9,5 mm.

Dan weet je dat je niet alleen naar het CAD-model moet kijken.

Het verschil ontstaat ergens tijdens het printproces.

Je kunt vervolgens beslissen of je:

• de printer of slicerinstellingen aanpast;
• of in het ontwerp bewust compensatie toevoegt.

Welke keuze het beste is, hangt af van de oorzaak.

Een vaste foutzoekvolgorde

Als je niet weet waar je moet beginnen, kun je onderstaande volgorde gebruiken.

Stap 1 — Beschrijf het probleem

Schrijf op wat je werkelijk ziet.

Niet waarom je denkt dat het gebeurt.

Stap 2 — Kies één vermoedelijke oorzaak

Maak een voorspelling.

Bijvoorbeeld:

De connectoropening staat waarschijnlijk 1 mm te laag.

Stap 3 — Meet het fysieke onderdeel

Controleer of de oorspronkelijke maat klopt.

Stap 4 — Controleer dezelfde maat in Tinkercad

Vergelijk ontwerp en werkelijkheid.

Stap 5 — Meet eventueel de proefprint

Controleer of de printer de ontworpen maat ook werkelijk heeft gemaakt.

Stap 6 — Verander één waarde

Niet drie tegelijk.

Stap 7 — Test opnieuw

Gebruik waar mogelijk een klein teststuk.

Stap 8 — Vergelijk resultaat met verwachting

Gedraagt de nieuwe versie zich zoals je voorspelde?

Stap 9 — Leg de wijziging vast

Noteer welke maat uiteindelijk werkte.

Deze werkwijze lijkt misschien wat langzaam wanneer je hem voor het eerst gebruikt.

In de praktijk bespaart hij juist veel tijd.

Je voorkomt dat je zonder duidelijke reden onderdelen blijft verschuiven.

Voorbeeld uit De Werkplaats: een scheef zittende USB-opening

Stel dat je een behuizing maakt voor een ESP32.

Na de eerste proefprint blijkt de USB-stekker tegen de rechterzijde van de opening te lopen.

Waarneming

De stekker kan ongeveer halverwege naar binnen.

De bovenzijde en onderzijde hebben voldoende ruimte.

Alleen rechts raakt de kunststof stekker de behuizing.

Voorspelling

De opening is waarschijnlijk niet te klein, maar staat te ver naar links.

Controle 1: stekker meten

Je meet de kunststof stekker.

Die is 11,2 mm breed.

De opening in Tinkercad is 12 mm.

Daar lijkt voldoende ruimte te zijn.

Controle 2: positie meten

Je meet op de ESP32 de afstand van de linkerzijde van de printplaat tot het midden van de USB-connector.

Daar blijkt 0,8 mm verschil te zitten met de maat die je eerder had gebruikt.

Aanpassing

Je verplaatst alleen de opening 0,8 mm naar rechts.

Je verandert de breedte niet.

Nieuwe test

Nu kan de stekker volledig worden ingestoken.

Daarmee weet je ook iets anders:

de oorspronkelijke breedte van de opening was goed.

Had je de opening meteen 2 millimeter breder gemaakt, dan had het waarschijnlijk ook gewerkt.

Maar je had dan niet geweten waarom.

En je opening was onnodig groot geworden.

Dat is precies het verschil tussen een fout wegwerken en een fout begrijpen.

Wanneer opnieuw beginnen wel verstandig is

Systematisch foutzoeken betekent niet dat je ieder model koste wat kost moet blijven repareren.

Soms ontdek je dat de basis van een ontwerp niet goed is opgezet.

Bijvoorbeeld wanneer:

• bijna alle maten op het oog zijn bepaald;
• de printplaat niet vanaf vaste referentiepunten is geplaatst;
• verschillende onderdelen afhankelijk zijn van verkeerde maten;
• je door veel eerdere aanpassingen niet meer weet welke maat waarvoor dient.

Dan kan opnieuw opbouwen sneller zijn.

Maar ook dan is het foutzoeken niet voor niets geweest.

Je weet inmiddels welke onderdelen goed waren en waar de problemen ontstonden.

De tweede versie begint daardoor niet vanaf nul.

Je begint met meer kennis.

Van foutzoeken naar ontwerpen met regels

Als je meerdere behuizingen maakt, zul je merken dat dezelfde ontwerpkeuzes steeds terugkomen.

Je gebruikt bijvoorbeeld steeds ongeveer dezelfde:

• wanddikte;
• speling rond een printplaat;
• ruimte rond connectoren;
• schroefpilaren;
• dekselconstructie;
• toleranties.

Dan wordt het interessant om die kennis niet alleen in één ontwerp te gebruiken.

Je kunt er vaste ontwerpregels van maken.

Een volgende behuizing hoeft dan niet opnieuw vanaf een leeg werkvlak te beginnen.

Je neemt de onderdelen en maten mee waarvan je al weet dat ze werken.

Wat je uit dit hoofdstuk kunt meenemen

Een ontwerpfout oplossen begint niet met willekeurig maten veranderen.

Begin met precies beschrijven wat je ziet.

Maak daarna een voorspelling over de mogelijke oorzaak en controleer die met metingen.

Vergelijk daarbij drie dingen:

• het echte onderdeel;
• je model in Tinkercad;
• de geprinte versie.

Werk vanaf vaste referentiepunten en verander steeds maar één variabele tegelijk.

Gebruik kleine proefstukken wanneer je alleen een passing, opening of verbinding wilt testen.

Een wijziging die niet werkt is niet verloren.

Ook die vertelt je welke oorzaak je kunt uitsluiten.

Wanneer je deze werkwijze een paar keer hebt gebruikt, verandert ook de manier waarop je ontwerpt. Je gaat automatisch nadenken over vaste maten, herhaalbare onderdelen en ontwerpkeuzes waarvan je al weet dat ze betrouwbaar zijn.

En daarmee komen we bij de volgende stap: van één behuizing naar een herbruikbaar ontwerp.