Tres cajas para una placa con FreeCAD (parte 1)

Esta, en principio, es la entrada que resume lo aprendido en un curso colaborativo que estoy haciendo en colaboración con Adgellida, Caramono y Pablo «El Oscilador», entre otros.

En cada parte, haremos una caja para la misma placa de circuitos, con especificaciones y targets diferentes.

Podéis encontrar los archivos necesarios para trabajar con este proyecto en el repositorio de GitHub.

La idea:

Tenemos este circuito:

Y queremos hacer la funda más sencilla posible: algo que simplemente mantenga los contactos de la parte inferior aislados. Una base simple.

Hay muchas maneras de hacer esto, que no necesariamente requieren diseñar una caja desde cero. Podemos poner unos pies de goma a la placa para que quede ligeramente alzada. Podemos añadir a la placa agujeros de anclaje y usar alzadores de nylon.

Si lo hemos previsto con antelación, podemos meter nuestra placa en una caja de proyecto, ya sea de las de plástico o aluminio extruido.

La mayoría de las veces vale la pena, si planeamos el proyecto con tiempo, usar prefabricados; hasta que le pillemos el tranquillo a la fabricación es mucho dinero y tiempo invertido en ensayo y error (o educación formal, si es más vuestro estilo) e incluso así son horas que no siempre se tienen.

Pero asumamos que queremos diseñar la pieza, que si no nos quedamos sin curso.

El plan:

Una caja simple, que consiste en un borde que sujetará la placa por fricción, que tiene un escalón interior para dejar un espacio entre la placa y la base, para que las puntas de los componentes TH no rallen la madera de nuestra mesa, y de paso esconder nuestras soldaduras, al menos las de la parte de debajo de la placa.

Puesto que sujetaremos la placa por fricción, nos interesa jugar con la tolerancia de impresión de los materiales (si imprimimos con una FDM, unos 0.3-0.5mm, si lo hacemos con una de resina, teóricamente 0.2-0.3mm, en la práctica depende de nuestro tiempo de exposición). La resina de las impresoras STL y el ABS de las de extrusión son razonablemente flexibles, pero el PLA es bastante rígido.

También será importante conocer los materiales de cara a saber cuan gruesa debe ser la pared. La resina, en principio, tiene un grueso mínimo recomendado de pared de 2mm, mientras que el PLA y ABS tienen un mínimo de 1.5mm.

Finalmente, es importante saber si el material se encoge o deforma al enfriarse. La resina estándar, al curar, se encoge un 3% linealmente, lo que puede provocar deformaciones si las paredes son finas o no tiene suficientes soportes. Por su parte, el ABS se encoge un 8% y el PLA un 2%.

A) los botones no son redondos porque la capa era demasiado fina (0.5 mm)
B) La pared se imprimió mal porque el Alumite requiere una pared mínima de 3mm
C) Un curado incorrecto provocó que la parte superior se curvara.

La ejecución

Abriremos FreeCAD (yo estoy usando la 0.19 ahora mismo), y antes de empezar a dibujar, vamos a crear una hoja de calculo (seleccionamos la mesa de trabajo «spreadsheet» y pulsamos en el botón «Crear hoja de cálculo nueva»)

(esto es opcional pero a mi me gusta etiquetar correctamente los archivos para facilitar las referencias)

Entramos los datos en la hoja de cálculo. Por conveniencia, suelo poner descripción en la columna A, y los valores en la B. Luego, al valor de la columna B le asigno un alias (pulsando con el botón derecho y seleccionando «propiedades», y luego poniéndole un nombre – en mi caso, la etiqueta de la columna A)

El campo en color amarillo tiene un alias ya asignado

Los alias nos son útiles a la hora de escribir formulas como «ancho_caja + (ancho_pared – compensacion_material) * 2». Al final mi hoja de calculo (que podéis descargar en el repositorio del proyecto) queda tal que así:

Ahora que tenemos las medidas introducidas, podemos empezar a crear la parte. Seleccionamos el banco de trabajo «Part Design» y le damos a «Crear cuerpo». Luego sobre ese cuerpo creamos un croquis en el plano XY.

Una vez abierto el croquis, procedemos a dibujar la primera sección de nuestro modelo (que consistirá de una sección para la pared, otra para el escalón y otra para la base). Empezaremos por la pared.

El boceto inicial no tiene porque quedar perfecto: En este caso he dibujado dos rectángulos y luego al rectángulo exterior le he redondeado las esquinas usando la herramienta de empalme .

La parte interesante de una herramienta de diseño paramétrico como freeCAD es que una vez dibujado el boceto, lo constreñimos con medidas y reglas hasta que queda la pieza perfecta. Y como en este caso hemos guardado los detalles en una hoja de calculo, si luego queremos cambiar algún parámetro, no tenemos que rehacer todo el dibujo.

Empezaremos centrando el rectángulo interior usando una constricción de simetría (respecto al eje central). También podríamos centrarlo usando constricciones de distancia horizontal o vertical pero en este caso es más rápido así.

Ahora podemos empezar a añadir constreñimientos de distancia para el ancho y largo de la caja. Empezando por el ancho, seleccionamos los dos vértices superiores del rectangulo interior y le aplicamos un constreñimiento de distancia horizontal .

Y aquí es donde haber pasado a limpio los valores en la hoja de cálculo nos beneficia porque podemos pulsar en formula y entrar el valor guardado, en este caso… ancho_caja.

Hacemos otro tanto con el largo. Seleccionamos los dos vertices de la derecha del rectángulo interior y le aplicamos un constreñimiento de distancia vertical , aunque en este caso el valor será largo_caja.

Aunque variará según como hayáis empezado el boceto, veréis que, entre la altura, la anchura y la simetría, nuestro rectángulo ha pasado a tener un color verde, lo que indica que está completamente constreñido.

Ahora hacemos otro tanto con el rectángulo exterior (que en mi caso ahora se ha quedado en el interior). Primero centramos el objeto seleccionando dos vertices de los arcos que estén opuestos y aplicando un constreñimiento de simetría . Luego, como en el otro caso, aplicaremos el constreñimiento de distancia horizontal y vertical , aunque en este caso para los valores ancho_exterior y largo_exterior.

Aunque la caja no está lista del todo, con los radios de las paredes exteriores haciendo de las suyas, ya empieza a parecerse a nuestro objetivo final. Para no tener que entrar cuatro veces el mismo valor, empezaremos seleccionando las cuatro curvas y añadiendo una constricción de igualdad .

Hecho esto, seleccionaremos una curva y le aplicaremos una restricción de radio y le daremos el valor radio_exterior.

Y con esto ya tendriamos la pared exterior lista y completamente constreñida.

Ahora le podemos dar a cerrar (en la barra de tareas, o simplemente pulsando el botón ESC) para volver a la vista de parte y extruir la pared con la altura de alto_caja.

Y volvemos a crear otro croquis en el plano XY, en este caso, el escalón.

El escalón es aún más simple que la pared; consiste en dos rectangulos sin redondeos.

Volveremos a centrarlos usando simetría con los vértices opuestos. El rectángulo exterior tiene las mismas dimensiones que la pared interior de la caja, ancho_caja y largo_caja .

Para el rectángulo interior, usaremos los valores calculados ancho_escalon y largo_escalon, cuya formula es «ancho_caja + dimension_escalon» y «largo_caja + dimension_escalon» respectivamente.

Si todo va bien, deberíamos tener ambos rectángulos en verde y podemos salir del croquis, volver al modelo y extruir nuestra nueva pieza, en este caso con la alto_escalon.

Solo un croquis más, el de la base. Crearemos un croquis nuevo en el plano XY y dibujaremos un rectangulo al que le redondearemos las esquinas .

Centraremos el rectángulo con simetría y esta vez, empezaremos igualando las curvas y especificando su radio , que al igual que para la pared, es radio_exterior.

Con los radios ya definidos, solo nos quedará establecer el ancho y largo del rectángulo, que son ancho_exterior y largo_exterior respectivamente.

Y por última vez, saldremos al modelo y extruiremos esta pieza, esta vez directamente con el valor ancho_pared.

Con la pieza acabada, solo nos queda ir al escritorio de edición de mallas y convertir nuestro objeto en una malla apta para impresoras usando la función «Teselar Forma» .

Tras generar la malla podemos exportar el objeto generado, en mi caso Caja_Simple (Meshed), simplemente seleccionando el objeto y usando la acción Archivo/Exportar… y si no ha habido ningún problema, tendréis un STL listo para procesar con vuestro software de impresora 3D favorito.

Y ahora que?

En un par de semanas o así colgaré la segunda parte, en la que trabajaremos un modelo más complejo. Si habéis sobrevivido a esto y queréis hacer más cosas con FreeCAD os recomiendo encarecidamente el canal Adventures in Creation, que tiene unos tutoriales muy completos en los que aborda muchos conceptos con tiempo y paciencia.

También vale la pena echarle un vistazo a la documentación oficial de FreeCad, que es una wiki y como tal tiene algunos trozos un poco anticuados pero sigue siendo una buena referencia.

Y por supuesto, recordar que los modelos y la placa los podéis encontrar en el repositorio del proyecto Macropad.