GlassCube - 4x4x4 LED-Würfel auf Glasplatinen - Gunook

2025 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2025-01-23 12:52

Mein erstes anweisbares auf dieser Website war ein 4x4x4 LED-Würfel mit Glasplatinen. Normalerweise mache ich das gleiche Projekt nicht gerne zweimal, aber vor kurzem bin ich auf dieses Video des französischen Herstellers Heliox gestoßen, das mich dazu inspiriert hat, eine größere Version meines ursprünglichen Würfels zu machen. In ihrem Video präsentiert Heliox ein viel einfacheres Verfahren zur Herstellung von Glasplatinen, bei dem kein Ätzen erforderlich ist, sondern sie mit einem Plotter die Leiterbahnen aus einer selbstklebenden Kupferfolie ausschneidet, die dann auf ein Glassubstrat übertragen wird. Da Plotter nicht so teuer sind und auch für andere Projekte nützlich sein könnten, habe ich mir einfach einen besorgt, um den Prozess selbst auszuprobieren.

Abgesehen davon, dass es sich um eine größere Version meines ursprünglichen Würfels handelt, verwendet diese Version auch eine benutzerdefinierte Platine basierend auf einem SAMD21-Mikrocontroller und ein Gehäuse aus lasergeschnittenem Acryl. Der Cube kann mit der Arduino IDE programmiert werden und ist auch mit CircuitPython kompatibel.

Das GlassCube-Kit ist jetzt auch auf Tindie erhältlich.

Falls Sie das Kit gekauft haben, müssen Sie nur noch die LEDs verlöten (Schritt 5), das Gehäuse zusammenbauen (Schritt 8) und die Schichten verbinden (Schritt 9)

Lieferungen

• 64 Stück - WS2812B 5050 SMD LEDs (z. B. aliexpress)
• 4 Stk. - 100 x 100 x 2 mm Glasplatte (ich habe diesen wirklich günstigen deutschen Anbieter gefunden, der nur 0,20 EUR/Stk. berechnet)
• 2 Stk. - A4-Blätter aus selbstklebender Kupferfolie (z. B. Amazon)
• 1 Rolle - Plotter-Transferpapier (z. B. Amazon)
• 1 Set - lasergeschnittenes Acryl (siehe unten)
• 1 benutzerdefinierte Platine (siehe unten)
• 4 Stück M2x8 Schrauben + Muttern

Die Gesamtkosten aller Materialien inklusive Lasercut-Service und Leiterplattenfertigung betragen ca. 100 EUR.

Werkzeuge

• Silhouette Portrait 2 Plotter (z. B. Amazon)
• Laserschneider oder Online-Lasercut-Service (ich benutze snijlab.nl)
• Lötkolben
• Heizplatte oder Reflow-Ofen für SMD-Löten (oder fortgeschrittene Handlötfähigkeiten)

Schritt 1: CAD-Design

Die Gehäuse- und PCB-Abmessungen von GlassCube wurden in Fusion360 entworfen, das Design habe ich unten angehängt.

Die Randsäulen und die Kopfplatte bestehen aus 3 mm starkem transparentem Acryl. Die Schichten mit den LEDs bestehen aus 2 mm dickem Floatglas. Die Bodenplatte ist eine maßgeschneiderte Leiterplatte.

Schritt 2: LED-PCB-Design

Ich habe Eagle verwendet, um das Layout der Glasplatinen zu entwerfen. Da das Schneiden der Spuren mit einem Plotter nicht so genau ist wie das Ätzen mit dem Tonerübertragungsverfahren, ist die minimale Spurbreite begrenzt. Ich habe verschiedene Spurbreiten ausprobiert und festgestellt, dass 32 mil die minimale Größe war, die ich verwenden konnte, da dünnere Spuren während des Plottens oft abblättern.

Um die Leiterbahnen aus der Kupferfolie herausschneiden zu können, musste das Platinenlayout auf dxf umgestellt werden. Ich habe eine Weile gebraucht, um herauszufinden, wie man das richtig macht, also lass mich die Schritte im Detail durchgehen

1. offenes Board-Layout in Eagle
2. alle Ebenen außer der obersten Ebene ausblenden
3. Klicken Sie auf Datei->Drucken und wählen Sie dann In Datei drucken (pdf)
4. pdf in Inkscape öffnen
5. Verwenden Sie das Pfadauswahlwerkzeug, um eine einzelne Spur zu markieren, und klicken Sie dann auf Bearbeiten-> Gleiche auswählen-> Strichstil. Dies sollte alle Spuren markieren (aber nicht die Pads).
6. Klicken Sie auf P ath->Stroke to Path, um die Pfadkonturen in neue Pfade umzuwandeln
7. Markieren Sie alle Pfade (einschließlich Pads), indem Sie das Pfadauswahlwerkzeug auswählen und dann Strg+A. drücken
8. Klicken Sie auf P ath-> Union, dies sollte alle Pfade kombinieren und alle Schnittlinien in "gefüllten" Bereichen entfernen
9. Klicken Sie auf Datei->Speichern unter und wählen Sie *.dxf als Dateiformat

Die dxf-Datei finden Sie hier auf meinem GitHub.

Schritt 3: Schneiden der Kupferfolie

Die dxf-Datei wurde mit einem Silhouette Portrait 2 Plotter aus A4-Blättern selbstklebender Kupferfolie geschnitten. Die Kupferbleche wurden zunächst auf der mitgelieferten selbstklebenden Schneidematte befestigt. Die Softwareeinstellungen, die ich zum Schneiden verwendet habe, sind im beigefügten Bild zu sehen.

Nach dem Schneiden muss die überschüssige Folie vorsichtig entfernt werden. Um die geschnittene Folie nicht zu beschädigen, habe ich für die folgenden Schritte das gesamte A4-Blatt auf der Schneidematte gelassen.

Schritt 4: Übertragen der Kupferfolie

Die geschnittene Folie wurde mit Transferpapier, das nur eine weitere selbstklebende Folie ist, auf die Glasplatte übertragen. Das Transferpapier wird auf die Kupferfolie geklebt und dann langsam abgezogen, damit die Kupferfolie weiterhin an der Transferfolie klebt. Dann wird es auf dem Glassubstrat befestigt und das Transferpapier wird langsam abgezogen, so dass diesmal die Kupferfolie auf der Glasplatte klebt.

Das Platinenlayout hat in der oberen linken und rechten Ecke zwei Markierungen, die helfen, die Folie richtig auf der Glasplatte auszurichten. Nach dem Anbringen können die Marker wieder von der Glasplatte entfernt werden.

Schritt 5: Löten der LEDs

Die SMD-LEDs wurden von Hand auf die Glasplatte gelötet. Ich habe auch versucht, sie mit einer Heizplatte (eigentlich meinem Herd) zu befestigen, aber wie das Bild zeigt, stellte sich heraus, dass dies keine gute Idee war. Wenn Sie einen richtigen Reflow-Ofen haben, ist es vielleicht einen Versuch wert, aber je nach verwendetem Glas besteht die ernsthafte Gefahr, dass es während des Erhitzens bricht.

Bezüglich der Ausrichtung der LEDs gibt es zwei unterschiedliche Anordnungen. Für die erste und dritte Schicht des Würfels ist die Ausrichtung anders als für die zweite und vierte Schicht. Auf diese Weise ist es später einfacher, die Schichten miteinander zu verbinden.

Schritt 6: Mikrocontroller-Platine

Anstatt auf ein kommerzielles Entwicklungsboard wie den Arduino Nano zu setzen, habe ich in Eagle eine benutzerdefinierte Platine zur Steuerung der LEDs entworfen. Der Vorteil ist, dass ich das Brett so formen konnte, dass es gut in den Würfel passt. Das Board basiert auf einem ATSAMD21E18 Mikrocontroller, der auch im Trinklet M0 von Adafruit verwendet wird. Ich habe diese MCU ausgewählt, weil sie über natives USB verfügt und keinen FTDI-Chip zum Programmieren benötigt. Außerdem bietet Adafruit Bootloader, die mit der Arduino IDE sowie CircuitPython kompatibel sind.

Ein Hinweis zum Board ist, dass es mit 3.3V-Logik arbeitet, während WS2812B mit 5V verwendet werden sollte, jedoch haben viele Leute gezeigt, dass auch ein Betrieb mit 3.3V möglich ist.

Ich habe meine PCBs von PCBWay.com erhalten, die Gerber-Dateien und BoM finden Sie auf meinem GitHub-Konto.

Mit etwas Geschick können die SMD-Bauteile auf dieser Platine von Hand gelötet werden, wobei eine Heizplatte oder ein Reflow-Ofen natürlich besser funktionieren.

Schritt 7: Flashen des Bootloaders

Ich habe den UF2-Bootloader von Adafruit für ihre Trinket M0-Boards verwendet. Die MCU wurde mit Hilfe eines J-Link-Tools geflasht. Detaillierte Anweisungen zum Flashen des Bootloaders finden Sie auf der Adafruit-Website. Das Tolle an Adafruits UF2-SAMD Bootloader ist, dass die MCU nach der Erstinstallation als Flash-Laufwerk erscheint und Sie einfach eine UF2-Datei auf den Wechseldatenträger ziehen können, um sie erneut zu flashen. Dies macht es sehr einfach, z. B. Wechseln Sie zwischen der Arduino-IDE und CircuitPython.

Schritt 8: Lasercut-Gehäuse

Das Gehäuse des Würfels wurde aus 3 mm dickem transparentem Acryl geschnitten. Ich habe einen Online-Laserschneidservice (snijlab.nl) verwendet. Die entsprechenden dxf-Dateien finden Sie auch auf meinem GitHub-Account. Das Gehäuse besteht aus 4 Pfosten und einer Kopfplatte. Die Pfosten werden mit 4 Stück M2x8 Schrauben und Muttern an der Hauptplatine auf der Unterseite befestigt.

Schritt 9: Verbinden der Schichten

Nachdem das Gehäuse zusammengebaut war, verband ich die Schichten, indem ich Drähte auf die Pads auf den Glasplatinen lötete. Dies stellte sich als ziemlich heikler Vorgang heraus und es besteht die Gefahr, dass das Acryl verbrennt oder die Kupferpads einreißen. Beachten Sie, dass die GND- und VCC-Pins auf jeder Schicht die Positionen wechseln, sodass die Drähte gekreuzt werden müssen. Um zu vermeiden, dass die Drähte die Kupferpads abreißen, habe ich sie nach dem Löten mit einem kleinen Tropfen Heißkleber fixiert. Die erste Lage wurde mit einem Dupont-Stecker mit der unteren Platine verbunden, die Drähte können aber auch direkt auf die Platine gelötet werden.

Schritt 10: Hochladen des Codes

Ich habe CircuitPython (Version 4.x) verwendet, um den Würfel zu programmieren. Sobald Sie den CircuitPython-Bootloader installiert haben, können Sie einfach Code ausführen, indem Sie ihn direkt auf dem MCU-Flash-Laufwerk speichern. Es ist kein Kompilieren notwendig und Sie können z. B. Öffnen Sie den Code erneut und bearbeiten Sie ihn.

Bisher habe ich nur einige grundlegende Animationen erstellt, aber es sollte für jeden relativ einfach sein, den Code zu erweitern. Der Code ist auf meinem GitHub zu finden, zum Ausführen werden die hier gefundenen Adafruit Neopixel- und fancyLED-Bibliotheken benötigt.

Schritt 11: Fertiger Würfel

Mit dem Aussehen des Würfels bin ich sehr zufrieden, die Glasplatinen und das Acrylgehäuse arbeiten gut zusammen. Es hat auch Spaß gemacht, zum ersten Mal ein eigenes MCU-Board zu erstellen und ich bin fast überrascht, dass es beim ersten Versuch geklappt hat. Da ich noch einige Ersatzplatinen und Acrylteile habe, möchte ich diesen Würfel als Bausatz auf Tindie zur Verfügung stellen. Also bei Interesse weiter danach Ausschau halten oder mir einfach eine private Nachricht schreiben.

Auch wenn Sie dieses instructable mögen, stimmen Sie bitte für mich im Make It Glow Contest.

Zweiter im Make it Glow-Wettbewerb