GlassCube - 4x4x4 LED-kubus op glazen PCB's - Ajarnpa

2025 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2025-01-23 15:01

Mijn allereerste instructable op deze website was een 4x4x4 LED-kubus met glazen PCB's. Normaal gesproken doe ik niet graag hetzelfde project twee keer, maar onlangs kwam ik deze video van de Franse maker Heliox tegen die me inspireerde om een grotere versie van mijn originele kubus te maken. In haar video bedenkt Heliox een veel eenvoudiger proces om glazen PCB's te vervaardigen, waarbij ze niet hoeft te etsen, maar in plaats daarvan een plotter gebruikt om de sporen uit een zelfklevende koperfolie te snijden die vervolgens wordt overgebracht op een glassubstraat. Omdat plotters niet zo duur zijn en ook van pas kunnen komen voor andere projecten, heb ik er net een aangeschaft om het proces zelf uit te proberen.

Behalve dat het een grotere versie van mijn originele kubus is, gebruikt deze versie ook een aangepaste PCB op basis van een SAMD21 microcontroller en een behuizing gemaakt van lasercut acryl. De kubus kan worden geprogrammeerd met de Arduino IDE en is ook compatibel met CircuitPython.

De GlassCube-kit is nu ook beschikbaar op Tindie.

Als je de kit hebt gekocht, hoef je alleen de LED's te solderen (stap 5), de behuizing te monteren (stap 8) en de lagen met elkaar te verbinden (stap 9)

Benodigdheden

• 64 stuks - WS2812B 5050 SMD LED's (bijv. aliexpress)
• 4 stuks - 100 x 100 x 2 mm glasplaat (ik vond deze echt goedkope Duitse leverancier die slechts 0,20 EUR/st rekent)
• 2 stuks - A4 vellen zelfklevende koperfolie (o.a. amazon)
• 1 rol - plotter transferpapier (bijv. amazon)
• 1 set - lasercut acryl (zie hieronder)
• 1 aangepaste printplaat (zie hieronder)
• 4 stuks M2x8 schroeven + moeren

De totale kosten van alle materialen inclusief de lasercut service en PCB fabricage bedragen ongeveer 100 EUR.

Gereedschap

• Silhouette Portrait 2 plotter (bijv. Amazon)
• lasercutter of online lasercutservice (ik gebruik snijlab.nl)
• soldeerbout
• warmteplaat of reflow-oven voor SMD-solderen (of geavanceerde handsoldeervaardigheden)

Stap 1: CAD-ontwerp

De behuizing en PCB-afmetingen van GlassCube zijn ontworpen in Fusion360, ik heb het ontwerp hieronder bijgevoegd.

De randkolommen en bovenplaat zijn gemaakt van 3 mm dik transparant acrylaat. De lagen met de LED's zijn gemaakt van 2 mm dik floatglas. De bodemplaat is een op maat gemaakte printplaat.

Stap 2: LED PCB-ontwerp

Ik heb Eagle gebruikt om de lay-out van de glazen PCB's te ontwerpen. Omdat het snijden van de sporen met een plotter niet zo nauwkeurig is als het etsen met de toner transfer methode, is de minimale spoorbreedte beperkt. Ik probeerde verschillende spoorbreedtes en ontdekte dat 32 mil de minimumgrootte was die ik kon gebruiken, omdat dunnere sporen vaak loskomen tijdens het plotten.

Om de sporen uit de koperfolie te kunnen snijden moest de bordlay-out worden omgezet naar dxf. Het kostte me een tijdje om erachter te komen hoe ik dit correct moest doen, dus laat me de stappen in detail doornemen

1. open bord lay-out in Eagle
2. verberg alle lagen behalve de bovenste laag
3. klik op Bestand->Afdrukken en selecteer vervolgens Afdrukken naar bestand (pdf)
4. pdf openen in Inkscape
5. gebruik de padselectietool om een enkel spoor te markeren en klik vervolgens op E dit->Selecteer hetzelfde->Stroke Style dit zou alle sporen moeten markeren (maar niet de pads)
6. klik op Pad -> Lijn naar pad dit converteert de padcontouren naar nieuwe paden
7. markeer alle paden (inclusief pads) door de tool voor padselectie te selecteren en vervolgens op ctrl+a. te drukken
8. klik op Pad->Union, dit zou alle paden moeten combineren en alle snijlijnen in "gevulde" gebieden moeten verwijderen
9. klik op Bestand->Opslaan als en selecteer *.dxf als bestandsformaat

Het dxf-bestand is hier te vinden op mijn GitHub.

Stap 3: Het snijden van de koperfolie

Het dxf-bestand is met een Silhouette Portrait 2-plotter uit A4-vellen zelfklevende koperfolie gesneden. De koperplaten werden eerst bevestigd op de meegeleverde zelfklevende snijmat. De software-instellingen die ik heb gebruikt voor het snijden zijn te zien in de bijgevoegde afbeelding.

Na het snijden moet de overtollige folie voorzichtig worden verwijderd. Om de gesneden folie niet te beschadigen heb ik het hele A4 vel op de snijmat gelaten voor de volgende stappen.

Stap 4: Het overbrengen van de koperfolie

De gesneden folie werd op de glasplaat overgebracht met behulp van transferpapier, wat gewoon een andere zelfklevende folie is. Het transferpapier wordt op de koperfolie bevestigd en vervolgens langzaam afgepeld zodat de koperfolie aan het transfervel blijft plakken. Daarna hecht het zich aan het glassubstraat en wordt het transferpapier langzaam afgepeld zodat dit keer de koperfolie op de glasplaat plakt.

De bordlay-out heeft twee markeringen in de linker- en rechterbovenhoek die helpen om de folie correct uit te lijnen op de glasplaat. Na het aanbrengen kunnen de markeringen weer van de glasplaat worden verwijderd.

Stap 5: Solderen van de LED's

De SMD-LED's werden met de hand op de glasplaat gesoldeerd. Ik heb ze ook geprobeerd te bevestigen met een verwarmingsplaat (eigenlijk mijn kachel) maar zoals de foto laat zien, bleek dit geen goed idee te zijn. Als je een goede reflow-oven hebt, is het misschien het proberen waard, maar afhankelijk van het type glas dat wordt gebruikt, is er een groot risico dat het breekt tijdens het verwarmen.

Wat betreft de oriëntatie van de LED's zijn er twee verschillende indelingen. Voor de eerste en derde laag van de kubus zal de oriëntatie anders zijn dan voor de tweede en vierde laag. Op deze manier is het later gemakkelijker om de lagen met elkaar te verbinden.

Stap 6: Microcontroller-PCB

In plaats van te vertrouwen op een commercieel ontwikkelbord zoals de Arduino Nano, ontwierp ik een aangepaste PCB in Eagle voor het aansturen van de LED's. Het voordeel is dat ik het bord zo kon vormen dat het mooi in de kubus past. Het bord is gebaseerd op een ATSAMD21E18-microcontroller, dezelfde die wordt gebruikt in de Trinklet M0 van Adafruit. Ik heb deze MCU gekozen omdat deze native USB heeft en geen FTDI-chip nodig heeft om te programmeren. Ook biedt Adafruit bootloaders die compatibel zijn met zowel de Arduino IDE als CircuitPython.

Een opmerking over het bord is dat het werkt met 3.3V-logica terwijl WS2812B met 5V moet worden gebruikt, maar veel mensen hebben aangetoond dat bediening met 3.3V ook mogelijk is.

Ik heb mijn PCB's van PCBWay.com, de Gerber-bestanden en BoM zijn te vinden op mijn GitHub-account.

Met enige handigheid kunnen de SMD-componenten op deze print met de hand worden gesoldeerd, hoewel een warmteplaat of reflow-oven natuurlijk beter zal werken.

Stap 7: De bootloader flashen

Ik heb de UF2-bootloader van Adafruit gebruikt voor hun Trinket M0-borden. De MCU werd geflitst met behulp van een J-Link-tool. Gedetailleerde instructies voor het flashen van de bootloader zijn te vinden op de Adafruit-website. Het mooie van Adafruits UF2-SAMD-bootloader is dat na de eerste installatie de MCU verschijnt als een flashstation en je gewoon een UF2-bestand naar de verwisselbare schijf kunt slepen om het opnieuw te flashen. Dit maakt het zeer eenvoudig om b.v. schakelen tussen de Arduino IDE en CircuitPython.

Stap 8: Lasercut behuizing

De behuizing van de kubus is gesneden uit 3 mm dik transparant acryl. Ik heb gebruik gemaakt van een online lasersnijservice (snijlab.nl). De bijbehorende dxf-bestanden zijn ook te vinden op mijn GitHub-account. De behuizing bestaat uit 4 staanders en een bovenplaat. De palen worden aan de onderkant bevestigd aan de hoofdprintplaat met behulp van 4 stuks M2x8-schroeven en moeren.

Stap 9: De lagen verbinden

Nadat de behuizing was gemonteerd, heb ik de lagen met elkaar verbonden door draden op de pads op de glazen PCB's te solderen. Dit bleek een vrij delicate procedure te zijn en er is een risico op verbranding van het acryl of scheuren van de koperen pads. Merk op dat de GND- en VCC-pinnen van positie wisselen op elke laag, zodat de draden moeten worden gekruist. Om te voorkomen dat de draden van de koperen pads scheuren, heb ik ze na het solderen met een klein druppeltje hotglue vastgezet. De eerste laag werd met een Dupont-connector op de onderste printplaat aangesloten, maar de draden kunnen ook rechtstreeks op de print worden gesoldeerd.

Stap 10: De code uploaden

Ik heb CircuitPython (versie 4.x) gebruikt om de kubus te programmeren. Nadat u de CircuitPython-bootloader hebt geïnstalleerd, kunt u de code gewoon uitvoeren door deze rechtstreeks op de MCU-flashdrive op te slaan. Er is geen compileren nodig, ook kunt u b.v. heropen de code en bewerk deze.

Tot nu toe heb ik zojuist enkele basisanimaties gemaakt, maar het zou voor iedereen relatief eenvoudig moeten zijn om de code uit te breiden. De code is te vinden op mijn GitHub, om het uit te voeren, heb je de Adafruit Neopixel- en fancyLED-bibliotheken nodig die hier te vinden zijn.

Stap 11: Afgewerkte kubus

Ik ben best tevreden over het uiterlijk van de kubus, de glazen printplaten en acryl behuizing werken mooi samen. Het was ook leuk om voor het eerst mijn eigen MCU-bord te maken en ik ben bijna verbaasd dat het bij de eerste poging gelukt is. Aangezien ik wat reserve PCB's en acryl onderdelen heb, wil ik deze kubus graag als bouwpakket beschikbaar stellen op Tindie. Dus als je interesse hebt, blijf er naar uitkijken of schrijf me gewoon een privébericht.

Als je dit instructable leuk vindt, stem dan op mij in de Make It Glow-wedstrijd.

Tweede plaats in de Make it Glow-wedstrijd