Листовые материалы в корпусостроении — обзор и технологии

в 7:15, , рубрики: DIY, diy или сделай сам, корпуса для diy, пластик

В очередной раз наткнувшись на картинку прекрасного электронного поделия в адском корпусе из соплеметного клея и картона я понял что держаться нету больше сил: надо пилить статью про корпуса, доступные всем. И немедленно выпил начал. Но быстро устал, ибо нельзя объять необъятное, особенно разом в одной статье. Так мгновенный импульс преобразовался в замысел цикла статей по домашним и околодомашним корпусам, доступным если не всем, то многим. И начать я решил с листовых материалов — как с ними работать, какие они бывают, что с ними можно и чего нельзя, ну и немножко — как из полученного добра сложить корпус.
Листовые материалы в корпусостроении — обзор и технологии - 1
Источник
Кого заинтересовало, прошу под кат.

Дисклеймер: статья не претендует на полноту и истинность и выражает только личное мнение автора, основанное на его опыте. Все картинки честно взяты из этих ваших интернетов, источники обозначил, бОльшая часть концепций, отраженных картинками, были реализованы автором в жизни, но подходящих фото не сохранилось/лень искать.

Методы обработки материалов в домашнем корпусостроении.

  1. Механическая резка. Тут надо заметить, что обрабатываемому материалу глубоко все равно, режете Вы его фрезой, лобзиком, пилой или еще чем. Критична линейная скорость инструмента — пластики при излишней скорости плавятся, дерево — горит. Ну и нагрузка на материал, выражающаяся в подаче резания: жесткие материалы при слишком высокой нагрузке могут раскалываться, вязкие — утягивать инструмент в нежелательном направлении.
  2. Абразивная резка. Многие листовые материалы в быту проще разрезать болгаркой или диском дремеля. Но не всегда результат будет удовлетворительным, из-за высокой скорости обработки материал может подгорать или засаливать инструмент.
  3. Лазерная резка — пластики и фанера. Не совсем домашний способ, но доступность для жителей городов высокая: во многих рекламных мастерских, занимающихся вывесками и сувениркой, лазерные станки есть. Чтобы быть совсем честным, там же можно найти и некоторые материалы, в результате чего все корпусостроение можно свести к проектированию и передаче файлов в мастерскую.
  4. Лазерная резка и гибка металла. Совсем недомашний способ, тем не менее, лазерный раскрой на заказ становится все более распространенным, и обычно раскройщики еще и готовы согнуть все что просят. Главная беда — относительная дороговизна и наличие у большинства контор минимальной стоимости заказа, впрочем, не смертельной (2-5 тысяч рублей).
  5. Термогибка пластиков. У сувенирщиков/рекламщиков, обладающих лазерными станками, обычно есть и термогибочник. К сожалению, их стандартная продукция — ценникодержатели и прочие визитницы — не подразумевает точной и повторяемой гибки, поэтому от создания таким способом единичного изделия или мелкой партии они отказываются. Впрочем, собрать из проволоки и палки термогибочник на дому для самодельщика — совсем не проблема. Нихромовая спираль от открытого обогревателя, источник питания из расчета 36 вольт на метр проволоки — и гните сколько влезет на дому. Единственное, что стоит сначала потренироваться на котиках обрезках материала, набить руку хотя бы на десятке гибов, поэкспериментировав с временем, расстоянием до проволоки и усилием гиба.
  6. Термоформовка пластиков. Почти все видели забавные видосики по вакуумной термоформовке, когда мастера с помощью нехитрого станка плотно обтягивают болванку нужной формы. Но почему-то мало кто решается погнуть пластик без вакуума. Понятно, что так не достичь трехмерной вытяжки, но зачастую корпусу этого и не надо, достаточно пустить материал по плавной дуге или, скажем, волной. БОльшая часть пластиков это позволяют, надо лишь нагреть материал до температуры размягчения, градусов этак 80 (ПЭТ) — 180 (акриловый камень). В процессе есть свои хитрости, но все достижимо.
  7. Вакуум-формовка. Как сказал выше, видосики видели почти все, так что учить не буду. Разве что упомяну, что в видосиках все правда — станок для вакуум-формовки собирается из тумбочки и пылесоса за минуты (ну ладно, часы, но не больше двух) и после этого работает как взрослый.
  8. Сварка. Многие пластики свариваются банальным паяльником — напрямую (лист-лист), либо с присадочным прутком, либо с металлической сеткой. Для мелких поделок из АБС, например, я использую в качестве присадочного прутка расходку 3д-принтера, дешево и сердито.
  9. Химическая сварка. Тот же АБС сваривается ацетоном, ПВХ — диметилхлоридом, акрил — проникающими спецклеями. Несмотря на то что получается теоретически гомогенный шов, такая сварка держит хуже термической и даже хуже некоторых клеев.
  10. Склейка. Тут полный разгул в последнее время, производителей клеев развелось неимоверное количество. Тем не менее, некоторые пластики клеятся плохо или вообще не клеятся. В разделе материалов я буду отмечать соответствующий аспект.

Конструкции корпусов.

Поскольку мы рассматриваем объемные корпуса из листовых материалов, выбор не так уж и богат: мы можем либо набрать корпус по слоям, либо собрать корпус из отдельных стенок, либо часть стенок совместить путем гиба материала. Несколько особняком стоит вакуум-формовка — способ, требующий специализированного оборудования и оснастки, но взамен позволяющий получить почти промышленного вида корпус.

Послойный набор

Пожалуй, самый простой в проектировании вариант. Достаточно перенести корпусуемое (корпусимое? окорпусляемое?) устройство в CAD, нарисовать вокруг него корпус и рассечь получившееся параллельными плоскостями с шагом в толщину материала. Получившиеся тела конвертировать в векторный формат и отнести на лазер. Полученные элементы склеить или собрать на штифтах/болтах.
Казалось бы годный, но неказистый результат. Но если приложить немного фантазии, и сделать, скажем, в фанерном корпусе пару чередующихся слоев прозрачного акрила, через который будет просвечивать светодиод, да потом шлифануть в сборе торцы — устройство будет выглядеть вполне достойно, чтоб не сказать продаваемо. Ну или наоборот, в акриловый послойный корпус добавить слой фанеры. Или закрыть акриловый корпус верхним слоем пластика для гравировки. Или сделать бутерброд из толстого пластика в центре и двух тонких железяк по краям. Или еще что-нибудь.
image
Источник

Стенки-дно-крышка

Когда высота корпуса велика и уже жалко изводить материал на набор размера слоями, или девайс имеет значительные вырезы со всех сторон и оформлять их послойно становится слишком неудобно, на помощь приходит классическая конструкция — каждая стенка изготавливается отдельно, а затем все заготовки соединяются тем или иным способом в коробочку. Проектировать базовые контуры даже проще чем послойный вариант, но после их отрисовки требуется посвятить дополнительное время проектированию узлов сопряжения. И если это не клей, то даже банальное пазогребневое соединение может доставить некоторые затруднения. Впрочем, при некотором навыке больше времени занимает выбор методики сопряжения: простое пазогребневое, натянутое, подпружиненное, усиленное закладными болтами или стяжками, с защелками-стопорами и т.д.
image
Источник

Гнутые элементы

Позволяет сократить количество элементов корпуса, в идеале — до двух или даже одного. Что в свою очередь резко снижает трудозатраты на сборку, риск брака и нестыковок. Если Вы остановились на изготовлении корпуса у металлорезчиков/гибщиков, а тираж превышает одну штуку, то грех не воспользоваться гнутьем.
Гнутые элементы позволяют реализовать на листовых материалах углы, отличающиеся от 90 градусов и радиусные гибы, что недоступно с сохранением эстетичности при стыковке стенок на более-менее толстых материалах. Но надо учитывать, что при домашней термогибке пластиков радиус гиба и его угол зависят от большого количества факторов (температура, время выдержки, расстояние от струны) и в сложном корпусе с окнами под кнопки/дисплеи/разъемы отверстия могут «уползти» от расчетных мест.
image
Источник

Материалы

Фанера

Где брать. Пожалуй, наиболее простой для добывания листовой материал — продается в любом строительном магазине. Но следует учитывать, что не любая фанера подходит любым методам резки, например лазер крайне плохо режет хвойные сорта, да и вообще привередлив к качеству: если материал содержит сучки, чаще всего в этих местах потребуется доработка лобзиком или напильником.
Свойства и особенности. Фанера — слоеный материал на базе дерева со всеми вытекающими. Неоднородность, нестабильность размеров (особенно толщины), неравномерное поведение при сгибании и резке, относительно невлагостойка, не держит температуру. Зато фанера относительно прочна, упруга, устойчива к раскалыванию, ну и эстетична.
Конструкции Подходит для послойных корпусов, склейки/скрутки торец-пласть, пазогребневого соединения. Специальные сорта могут гнуться в одном направлении с радиусом в 20 толщин, лазерное прорезание с шагом в 1-2 мм либо фрезерование пазов на стороне, противоположной сгибанию, позволяет согнуть и обычную фанеру с радиусом в 10-12 мм.
image
Источник

При проектировании пазогребневого соединения надо учитывать, что материал имеет нестабильную толщину, и лучше заложить пазы с припуском на посадку по ширине процентов 10 от номинальной толщины материала, и дать натяг по длине паза 0,2-0,3 мм. Поскольку фанера имеет мерзкое свойство щепиться на углах, лучше и в пазогребнях и на краях закладывать 45 градусные фаски 0,5-1 мм, визуально они незаметны.
Фанера отличный материал для больших и массивных штук типа акустических систем, усилителей и прочего условно-стационарного стаффа. На толщинах больше 10 мм можно собрать весь корпус на саморезах, шпунтах с клеем или даже мебельных уголках, а после сборки — обработать стандартными столярными отделками типа масла, воска или лака, и получить практически заводской вид.
Итого. Несмотря на кажущуюся неказистость, вполне себе вариант для сотворения кастомного корпуса. Даже ручным инструментом обрабатывается с высокой точностью и достаточным качеством, режется и лазером и ЧПУ-фрезером, отделывается доступными методами, в общем — достойный материал, особенно для крупных корпусов.

Акрил, ПММА, плексиглас, оргстекло

Где брать. Акрил один из наиболее часто используемых в рекламе и сувенирке материалов, поэтому в небольших количествах — в рекламных мастерских. Чаще всего там же можно и нарезать лазером и согнуть на термоформовщике. В количествах от листа (2050*1250 или 2000*3000 мм) — в фирмах, торгующих материалами для рекламы, либо в специализированных фирмах по листовым пластикам. Доступные толщины в листах — от 1 до 20 мм, у рекламщиков обычно лежат отходы до 12 мм. Материал продается как прозрачный, так и окрашенный, но опять же у специализирующихся на вывесках мастерских обычно 5-10 цветов и степеней прозрачности на выбор. В компаниях, торгующих конструкционными пластиками, иногда можно купить блочный акрил толщиной до 50 мм, но это уже не лист.
Свойства и особенности Акрил — лучший светопрозрачный материал для поделок, легко обрабатывается как режущим инструментом, так и лазером, на срезе легко полируется, дошлифовывается пламенем до полной прозрачности. Главная беда — относительная непрочность и склонность к раскалыванию под напряжением, шуруповерт на 15й метке усилия легко откалывает уголок даже саморезом с пресс-шайбой. Лазер подкаливает кромку и острые углы становятся концентраторами напряжений, поэтому рекомендуется скруглять внутренние углы радиусом минимум 1,5 мм. Акрил спокойно гнется и формуется при температурах около 100 градусов, что делает его идеальным для гибки на струне. Склеивается цианакрилатными клеями, либо специальными проникающими клеями в визуальный монолит, сохраняя прозрачность.
Конструкции Исходя из свойств — практически любые. Выше приведенные примеры наборного корпуса, гнутого и сборного — именно из акрила. Склеиванием с последующей ошлифовкой снаружи можно добиться визуально монолитного корпуса. В общем, материал без ограничений.
Итого Акрил — один из лучших листовых материалов для малосерийного корпусостроения. Главный минус — хрупкость на больших плоскостях, я бы не стал делать долгосрочный акриловый корпус с плоскостями более 50 толщин в длину. Но легкость обработки и товарность результата может перебороть этот недостаток в случае прототипа, концепта или выставочного образца.

ПЭТ-Г, он же полиэтилтерефталат-гликоль, лавсан, дакрон

Где брать См акрил, практически без изменений. Тонкий ПЭТ-Г можно добыть прямо под рукой — это материал бутылок (звучит смешно и нелепо, но закрыть окошечко экрана вполне хватает), кроме того часто из него делают файлы-папки.
Свойства и особенности. Главная особенность ПЭТ-Г — отличная формуемость. Листовой ПЭТ-Г до 4 мм гнется («ломается») по линии просто руками, без нагрева; простой разогрев в бытовой духовке или в кастрюле с водой до 80 градусов позволяет руками выдавить даже трехмерные элементы с отношением высоты к длине секущей до 1:10. При этом материал сохраняет оптическую прозрачность. Режется лазером почти так же хорошо, как акрил, но на срезе дает небольшое подплавление, что снижает эстетичность среза и требует дополнительной обработки при создании послойного корпуса. Прочней чем акрил, редко колется. К сожалению, на рынке присутствует в основном в незащищенном от УФ виде, под прямыми солнечными лучами становится хрупким буквально за пару месяцев. Ну и второй большой минус — при длительной выдержки даже с бытовыми температурами 45-60 градусов — разгибает все углы и деформируется на больших плоскостях.
КонструкцииНаборные бутерброды, окошки дисплеев, гнутье, термоформовка
ИтогоИдеален для быстрого прототипирования гнутых корпусов, лучший пластик для домашней вакуум-термоформовки или прессовой термоформовки. Противопоказан для автомобильной и уличной электроники.

ПС, полистирол.

Где братьОпять у рекламщиков, плюс неплохой выбор можно встретить у мебельщиков — ПС, особенно фактурованный, используется для отделки мебельных фасадов и в качестве пластиковых стекол в мебели.
Свойства и особенности. Полистирол режется хуже акрила, менее прочен чем ПЭТ, колется, царапается. Собственно, плюсов три: низкая цена, доступность фактурованных прозрачных листов и хорошая термоформуемость.
Конструкции. Теоретически все варианты, практически — только от безысходности или при необходимости минимизации расходов. Ну и термоформовка.
ИтогоЧестно говоря, лично применял ПС в корпусах трижды, один раз вакуум-формовал, второй — делал сувенирное поделие, где заказчик позарез хотел эффект морозного стекла, третий — обтягивал послойно склееный МДФ. Использовать как самостоятельный материал не вижу смысла.

АБС, АкрилонитрилБутадиенСтирол.

Где братьПервый раз в жизни я использовал АБС еще в полубессознательном детстве: запилил допотопный чемодан. Но это варварство, проще купить в листах в компаниях, торгующих листовыми пластиками. На худой конец — отрезать кусок бампера ГАЗели :).
Свойства и особенности. АБС на рынке представлен в виде непрозрачных листов черного либо серого цвета с фактурой «песок» или «манка», знакомые всем нем по чемоданам, кейсам, автобамперам, различным панелям и т.д. Обрабатывается фрезой, лазером, ножовкой, гнется на струне, тянется почти вдвое, благодаря фактуре корпус выглядит как взрослый, промышленный. Одна беда — срез обработать под ту же фактуру почти нереально, поэтому имеет смысл его либо прятать, либо концептуально выпячивать. АБС сваривается термически с прутком от 3д принтера, хорошо сваривается химически, если растворить стружку в ацетоне или ДМХ.
Конструкции. Да все что угодно, если спрятать срез. Моя любимая конструкция для корпусов на скорую руку с претензией на цивильный вид — две п-образных детали из АБС.
Итого. Прекрасный материал, позволяющий сделать промышленного вида корпус, если спрятать края. Вакуум-формовкой делаются серьезные мало/среднесерийные корпуса, я тянул одним товарищам корпуса под воензаказ, получалось вообще не DIY-но.

ПК, монолитный поликарбонат, лексан, карбогласс

Где брать. Рекламщики + тепличники + оконщики + спецфирмы.
Свойства и особенности. Самый прочный листовой пластик, у рекламщиков и строителей идет как вандалоустойчивый прозрачный материал. Как-то баловались на предмет прочности, обнаружили что 5 мм МПК держит выстрел из ПМ с 6 метров. Не колется, пластина 2 мм сгибается вдвое с радиусом 20 мм и потом восстанавливается. Относительно плохо формуется, держит температуры до 80 градусов без деформации. На рынке бОльшая часть заточена под наружное использование, соответственно, имеет двустороннее УФ-защитное покрытие. А теперь минусы: царапается. Нет, пожалуй, правильней будет ЦАРАПАЕТСЯ, т.е. протирка стекла фланелью оставляет заметные царапки. Благо, неглубокие, но товарный вид не держится. На лазере прожигается с образованием желтоватого края, тоже не очень товарно. Хорошо красится акриловыми красками, если покрасить изнутри, получается вполне симпатично. Теоретически, можно лакировать или затянуть автомобильной тонировочной пленкой, тогда проблемы царапин не будет, но это уже тяжело и небюджетно.
КонструкцииЧто угодно, но будьте готовы к нетоварному виду в скором времени.
Итого Хороший материал, если нужна высокая прочность, особенно на больших поверхностях, при этом царапины некритичны. лайтбоксы в вандалоопасных местах, закрывашка экранов, крышки часов/табло и т.д.

Пожалуй, статья уже слишком разрослась, зато и наиболее распространенные материалы закончились. Несмотря на то, что в планах еще было, разрешите на этом откланяться. Если есть желания узнать о других материалах — пишите в ЛС или в комментарии, сделаю вторую часть. Если есть опыт использования других материалов (или этих же) — делитесь, несите добро и опыт в люди, оно полезно для кармы.

Автор: Михаил Колесников

Источник


* - обязательные к заполнению поля


https://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/3.4.1/jquery.min.js