Novena Heirloom — это созданная мной ограниченная серия кастомных корпусов для компьютера Novena с открытым исходным кодом, разработанного Эндрю Хуангом и Шоном Кроссом. Проект финансировался путем краудфандинга в сотрудничестве с компанией Crowd Supply из Портленда, штат Орегон.

Всего было разработано несколько прототипов. Рассматривался даже вариант конструкции в виде мольберта. После консультации эта идея все-таки была отвергнута в пользу более традиционной «раскладушки». Имелось важное требование: обеспечить доступ пользователя к внутренним компонентам. Так мы пришли к необходимости съемной клавиатуры, что в значительной степени определило конечный результат. Основная идея дизайна вдохновлена винтажными Hi-Fi системами, ярким представителем которых является Дитер Рамс. Надеюсь, наш труд станет данью уважения к его работам. Финальный дизайн в значительной степени остался верен первоначальному концептуальному прототипу.

Все подробности создания — под катом.

Используйте навигацию, если не хотите читать текст целиком:
→ Композитная конструкция
→ Породы древесины
→ Пробка
→ Сборка
→ Металлические компоненты
→ Шарниры
→ Управление теплом
→ Динамики
→ Системные переключатели
→ Клавиатура
→ Ножки
→ Заключение

Композитная конструкция

Корпус Heirloom разработан с использованием композита из древесного шпона, стеклоткани E-glass, пробки и эпоксидной смолы для основных панелей. Вдохновленный опытом использования перекрестно-клееных деревянных ламинатов в моих конструкциях фотокамер, я провел серию испытаний с различными комбинациями материалов. Удалось подобрать правильную технологию производства, которая и была применена для компьютера. В конечном итоге удалось достичь желаемый баланс долговечности, прочности, веса и внешнего вида. Дополнительное преимущество от использования пробки в качестве материала сердцевины — улучшенная ударопрочность. Дерево, а также некоторые другие твердые материалы, значительно уступают в выносливости при ударных нагрузках.


Наряду с композитными панелями использовался и массив древесины. Композитный материал хорошо подходит для больших поверхностей — таких как, нижняя часть корпуса, панели ЖК-дисплея и динамиков с переключателями. Массив же дерева применяется там, где требуется механическая фиксация. Примером могут послужить нижние точки крепления шарниров или места, где происходит значительная формовка — в частности, верхняя и нижняя планки панели ЖК-дисплея. Еще одна область применения дерева — боковые стойки по обеим сторонам панели ЖК-дисплея, где нужна более широкая окантовка.

Осмотрев первые образцы композитного материала, Хуанг решил отправить один из них своим коллегам в Массачусетский технологический институт (MIT) для структурных испытаний. Результатами тестирования он поделился в одном из постов своего блога.

Композит Heirloom — это многослойный материал, каждый компонент которого вносит свой вклад в желаемые свойства конечного продукта. В структурной последовательности отдельные элементы располагаются так:

• древесный шпон толщиной 0,7 мм;
• стеклоткань E-glass плотностью 5,6 унций;
• композитный пробковый сердечник толщиной 3 мм и плотностью 20 кг/м³;
• еще стеклоткань E-glass плотностью 5,6 унций;
• наконец, снова древесный шпон толщиной 0,7 мм.

Комбинация собирается с помощью высокомодульной эпоксидной смолы с использованием специальных пресс-форм: либо двухкомпонентной цельной, либо системы вакуумного формования с однокомпонентной формой. Для изогнутых деталей я часто использую систему ленточных зажимов с пневмоприводом или станок для пневматического прессования, но ни один из этих методов в данном случае не подошел.

Породы древесины

Были выбраны четыре породы древесины: макоре, орех, лимба черная и афрормозия. Критерии отбора учитывали баланс их эстетических свойств и пригодности для задачи.


Поначалу внимание привлек местный западный орех (Western Walnut). Компания из Портленда обрабатывает его как в виде цельной древесины, так и шпона — это подходило, особенно с учетом обеих использующихся форм. По моей оценке, текстура и цвет оказывались несколько привлекательнее, чем у более распространенного восточного ореха (Eastern Walnut). Он обладает потрясающим характером, полным глубины и цвета.

Благодаря недавнему проекту повезло познакомиться с ранее неизвестной мне афрормозией — породой, внешне похожей на тик, но с собственной уникальной цветовой палитрой и характером. Со временем она темнеет до насыщенного золотисто-коричневого цвета и обладает качествами, которые прекрасно сочетаются с общим стилем Heirloom.

Порода, хорошо известная мне по опыту с деревянными фотокамерами, — макоре. У нее красивый ленточный рисунок, насыщенный красный оттенок и подходящие физические свойства.

Лимба черная (Black Limba) имеет поразительно уникальный внешний вид с извилистыми коричневыми полосами на желтоватом фоне. К счастью, у местного поставщика нашелся запас этой древесины, и она отлично подошла к шпону от моего постоянного поставщика.

Создание подходящего композита из этих видов шпона потребовало обширных экспериментов. Кандидаты на роль эпоксидной смолы, добавки, такие как cab-o-sil и микросферы, а также техники нанесения — все были тщательно подобраны, чтобы минимизировать просачивание смолы и оптимизировать рабочие характеристики. Потребовалось три сборочных поста:

• для резки материала по размеру,
• для смешивания и нанесения эпоксидной смолы,
• для формования материала до конечного вида.

Чтобы соответствовать другим видам, более толстый шпон ореха калибровался с помощью широколенточного шлифовального станка до нужной толщины — около 0,7 мм. Обычно толщина — это преимущество. Однако такой шпон ореха создавал проблемы как с подгонкой размеров в процессе, так и с достижением радиусов изгиба, необходимых для двух композитных панелей.

Пробка

В последние годы пробковая промышленность активно расширяет сферу применения своей продукции. Пробку все чаще можно встретить в изделиях, где раньше применялись сотовые структуры или бальса. Эксперименты начались с испытаний доступных видов. Однако в конечном итоге не обошлось без покупки большого рулона специальной 3-миллиметровой пробки. Этот экологически чистый материал, благодаря своим природным свойствам, идеально подходит в качестве композитного сердечника для Heirloom.

Сборка

Панель ЖК-дисплея и основные компоненты корпуса собираются с использованием техники вакуумного формования. После сборки слоев на посту склейки, заготовка переносится на формовочный пост. Там ее помещают в герметичный мешок и запечатывают с помощью прижимного валика и зажимов. Затем специальный вакуумный насос откачивает воздух из мешка, позволяя атмосферному давлению сжимать слои вместе, пока эпоксидное связующее отвердевает. Для многих панельных конструкций это самый простой и экономически выгодный метод.


Однако задняя панель оказалась особенным случаем. Напомню, что на ней размещаются динамики и переключатели, к тому же она поддерживает заднюю часть клавиатуры. Так вот, радиус изгиба слишком мал — его не получается надежно сформировать с помощью вакуума. У меня есть ламинатор с воздушным давлением — он способен создавать гораздо более высокую прижимную силу, нежели вакуумный мешок. Тем не менее в данном случае получилось проще изготовить пару сопряженных гибочных форм для ламинирования деталей. Одна из их поверхностей покрыта тонким слоем уретановой пены. Так обеспечивается полное и равномерное давление по всей поверхности ламината и компенсируются незначительные колебания толщины материала. Формы сжимаются вместе поверх подготовленных ламинатов с помощью стандартных столярных струбцин.

Чтобы увеличить прочность, улучшить теплоотвод и повысить эстетические свойства основного корпуса, я решил придать нижней панели волнообразную форму по всей ширине. Такая легкая волна создает структуру типа полумонокок, которая придает жесткость плоской в остальном части корпуса. Кстати, одновременно обеспечивается некоторый воздушный поток под устройством. Дополнительным бонусом стала визуальная деталь, которую можно заметить только при внимательном осмотре.

Металлические компоненты

Имея большой опыт в проектировании изделий из комбинаций металла и дерева, а также вдохновляясь работами немецкого дизайнера Дитера Рамса, я решил включить в конструкцию Heirloom алюминиевые боковые пластины. Они спроектированы с интегрированным фланцем, который используется для соединения с волнообразной композитной нижней панелью корпуса. Вторая секция фланца поддерживает заднюю панель с обеих сторон.


Левая боковая пластина имеет углубление и перфорацию. Так, печатная плата может проходить к отдельной подогнанной панели портов с предусмотренными отверстиями для каждого разъема. Панель портов также имеет небольшие пазы на внутренней поверхности, которые поддерживают край печатной платы со стороны портов, где оригинальные отверстия для винтов недоступны из-за толщины боковой пластины. Крупная фаска вдоль верхнего и нижнего краев каждой пластины уменьшает массу и улучшает визуальную привлекательность основного корпуса.

Внутренняя компоновка

Волнообразная форма основания корпуса несколько осложнила монтаж печатных плат, аккумулятора и SSD-накопителя. Пришлось даже рассматривать возможность установки резьбовых втулок разной высоты — так удалось бы создать плоскую верхнюю поверхность для поддержки плат. Довольно быстро я пришел к идее установки единой монтажной пластины на дно корпуса для размещения всех компонентов. Хуанг в своей Novena использовал резьбовой массив. Я решил последовать его примеру и спроектировать аналогичную алюминиевую пластину для Heirloom.


В то время я терзался поиском решения для пассивного охлаждения. Большая алюминиевая поверхность казалась потенциально полезной для этой цели. Она крепится к композиту с помощью трех рядов резьбовых втулок. Их установку мы уже осуществляли — в панелях жк-дисплея с динамиками и переключателями. В каждом случае в просверленном отверстии — с помощью уретанового клея или усиленного каучуком цианоакрилатного — крепится латунная резьбовая втулка.


Ряд отверстий в пластине предназначен для стандартных невыпадающих стоек из нержавеющей стали, которые служат точками крепления для печатных плат и SSD. Из-за открытой конструкции стандартный процесс установки невыпадающих гаек оказался проблематичным. Пришлось разработать альтернативное решение с резьбовыми втулками, которое к тому же имеет большую площадь верхней поверхности для отдельных применений монтажа.


Аккумулятор, узел вентилятора и специальная плата расширения оставляют немного места для дополнений пользователя. Я спроектировал, а затем и изготовил на станке с ЧПУ, кастомные кронштейны для крепления SSD и аккумулятора.




Использованный центробежный вентилятор для охлаждения процессора имел неудобные крепления и не позволял легко соединиться с радиаторами, которые нашел Хуанг. Пришлось разрабатывать и снова изготавливать на станке с ЧПУ алюминиевую пластину, которая заменяет крышку вентилятора и обеспечивает крепление для радиатора и возможность установки в будущем камеры для отвода тепла (пленума).

Панель ЖК-дисплея

ЖК-дисплей, выбранный для проекта Novena, имеет относительно большую нерабочую область в нижней части. Такая особенность потребовала решения для закрытия области и прокладки кабелей в конструкции панели. Кроме того, шарниры нужно было закрепить в относительно неглубоком пространстве с резьбой, при этом обеспечить жесткость для поворотного механизма. Алюминиевая пластина элегантно решала обе проблемы. Конструкция имеет выемку на внутренней поверхности и обеспечивает полноразмерные места для крепления шарниров и винтов, которые крепят шарнирную пластину к основному корпусу панели ЖК-дисплея.


Получившаяся шарнирная пластина облицована шпоном в тон остальной части корпуса Heirloom, а к ее нижнему краю приклеена и в дополнение механически прикреплена цельная нижняя планка панели ЖК-дисплея. Соединение панели ЖК-дисплея с основным корпусом обещало быть интересной задачей.

Шарниры

Особо сложной задачей в процессе проектирования стал поиск шарниров, соответствующих концепции дизайна. Существует, пожалуй, четыре основных поставщика специальных фрикционных шарниров (torque hinges), необходимых для удержания дисплея ноутбука в любом заданном положении. Большинство из них предназначены для скрытой установки внутри литых пластиковых компонентов типичного ноутбука и поэтому не слишком презентабельны для такого дизайна, как Heirloom. Некоторые из этих конструкций также предусматривают прокладку кабеля ЖК-дисплея, что еще больше усложняет работу и ухудшает внешний вид.


Кроме того, средства крепления обычно основаны на скрытых металлических компонентах, которые поглощают крутящие моменты, действующие на небольшую по площади пластину шарнира, что характерно для стандартных петель. Я искал шарнир, который напоминал бы стандартную петлю от шкатулки для драгоценностей. Сочетание этой идеи с мелкосерийным производством Heirloom создало сложную задачу по поиску поставщиков.


Небольшое исследование, в конце концов, выявило серийные шарниры, которые соответствовали требованиям по внешнему виду. Но «дьявол в деталях» показал, как мало из них имели подходящую конструкцию кронштейна. На обсуждения с производителями ушли месяцы. В конце концов, удалось договориться о специальном заказе без чрезмерно завышенных требований к минимальной партии или стоимости единицы продукции. После томительного ожидания прибытия получилась конструкция шарнира, которая, к счастью, удовлетворила всем требованиям. После проектирования и реализации решения для прокладки кабелей и фрезеровки на ЧПУ нижних пазов для шарниров, панель ЖК-дисплея была успешно соединена с основным корпусом.


Из-за трения в шарнирах панель ЖК-дисплея не может полностью закрыться и прижаться к нижнему корпусу. Поэтому набор магнитов, встроенных в деревянные элементы рамы панели ЖК-дисплея и алюминиевые боковины корпуса, обеспечивает достаточное притяжение, чтобы крышка закрывалась плотно.

Управление теплом

На ранних этапах обсуждений с Хуангом было желание создать пассивную систему охлаждения. Открытый корпус, использованный в дизайне Novena Хуанга, показал, что нет острой необходимости в усовершенствованной системе охлаждения. Heirloom спроектирован так, чтобы его можно было использовать в открытом виде, с клавиатурой, размещенной перед корпусом. Такая компоновка обеспечила бы обильный приток охлаждающего воздуха. Однако, возможно, он чаще будет использоваться со встроенной в корпус клавиатурой. Тогда возникает замкнутая система с небольшим естественным воздушным потоком. Тестирование подтвердило: процессор перегревается.


Начались исследования возможности создания пассивной системы охлаждения для Heirloom. Последовала длительная серия обсуждений с инженерами от поставщиков систем охлаждения — таких как Aavid и Enertron. Необходима передача тепла от процессора к большей площади радиатора — с помощью тепловых трубок.

Первоначальным объектом исследования была значительная масса алюминия в боковых пластинах, особенно в левой, ближайшей к процессору. Я начал проектировать серию испарительных и конденсаторных пластин и создавать пути для тепловых трубок между ними. Первая попытка — с набором охлаждающих ребер (рассчитанных инженером), вырезанных в верхнем или нижнем крае боковой пластины. Неудача — плохой контакт охлаждающей поверхности с конденсаторным концом тепловой трубки при значительных механических работах, необходимых для реализации ребер.


Поскольку правая боковая пластина была признана слишком удаленной от процессора для решения с тепловой трубкой, в сотрудничестве с двумя инженерами была создана еще одна серия концепций. В каждом случае какое-либо критическое требование не оправдывало ожиданий. Медленный темп процесса проектирования и потенциальное влияние на ключевые элементы дизайна остальной части корпуса заставили рассматривать только один, последний вариант. Следующий шаг — уже активная система охлаждения.


Я только что закончил первую итерацию дизайна алюминиевой пластины и все еще задавался вопросом: «может ли эта довольно большая теплопроводящая поверхность сама по себе служить радиатором?» набросал еще одну концепцию с путем для тепловой трубки, ведущим к свободной области под SSD. Там было достаточно места для обеспечения значительной длины крепления конденсаторного конца тепловых трубок. Такая компоновка напоминала фотографии, присланные мне одним из инженеров, который назвал ее «холодной пластиной» (cold plate). Но когда концепция была представлена на рассмотрение, один из двух инженеров указал, что отсутствие притока и отвода воздуха и сопутствующего потока через пластину сделает это решение непригодным. Другой инженер отметил, что это действительно выглядит как возможный вариант. Столкнувшись с таким расхождением во мнениях и вложив значительное количество времени в то, что могло оказаться тупиком, я решил узнать, что хуанг думает об использовании активного охлаждения.


Ранее я связывался с еще одним инженером по поводу новой, разрабатываемой технологии охлаждения малого форм-фактора на основе диафрагмы, и он был вполне уверен, что она может подойти для нашей задачи. Ее преимуществом была простота добавления к стандартному радиатору, установленному на процессоре — пространственные ограничения оказывались минимальны. Однако постоянные сбои в процессе разработки этого вентилятора вывели его из рассмотрения. Хуанг нашел небольшой центробежный вентилятор, который мы и встроили в наше решение.

Рассеивание тепла с помощью вентилятора

Когда Хуанг приехал в Портленд на неделю, чтобы проработать некоторые детали Heirloom, мы уже разработали общую компоновку узла с вентилятором, радиатором и тепловой трубкой. Возможной проблемой был способ отвода отработанного воздуха из корпуса. Мы начали тестирование без готового решения, по сути, просто перемещая воздух внутри корпуса. Тесты показали, что система работает как надо, даже без термического соединения специальной конденсаторной пластины с радиатором и без правильного подвода воздуха от вентилятора к радиатору. Алюминиевые боковые пластины корпуса, казалось, вполне справлялись с рассеиванием тепла без каких-либо специальных доработок.


Я начал работать над решением для крепления вентилятора. После пары быстрых прототипов из алюминия, изготовленных на ЧПУ, окончательная версия сработала, при этом оставив возможность для дооснащения вытяжным пленумом, если это окажется необходимым.


У Хуанга есть классный тепловизор для телефона, который он использовал, чтобы сделать фотографию Heirloom, показывающую распределение тепла. Правая боковая пластина и вентиляционное отверстие динамика указывают на уходящее тепло, в то время как вентиляционное отверстие левого динамика показывает охлаждающий эффект от всасываемого в корпус воздуха.

Динамики

Звуковая система Heirloom изначально требовала подбора подходящих динамиков. Место было ограничено, поэтому пришлось заказать несколько вариантов конструкций динамиков, которые могли бы подойти с учетом этого ограничения. Простое тестирование быстро сузило круг до одного многообещающего кандидата с фазоинвертором. Он имел подходящие размеры, чтобы вписаться в конструкцию корпуса, и я приступил к его интеграции в чертежи.

Композитная панель, предназначенная для этой цели, занимала пространство между задним краем клавиатуры и шарнирной планкой в задней части корпуса. Оставалось лишь обеспечить прохождение звука через ее поверхность. Отдавая предпочтение перфорированному узору, я начал чертить. Быстро стало очевидно, что желаемая круглая форма создает определенные трудности в создании визуально привлекательной компоновки. И вдруг в какой-то момент я понял: мое вдохновение винтажными Hi-Fi системами что-то подскажет.


Гениальный Дитер Рамс использовал круглую решетку динамика во многих своих разработках аудиоаппаратуры. Нашлось несколько примеров. Исследование вопроса показало, что такое решение действительно эффективно. Я решил отдать дань уважения этому основополагающему дизайнеру и лишь с небольшими изменениями использовать его концепцию. Как только я догадался, как лучше всего вырезать узор отверстий в капризном композитном материале, то смог добавить необходимые отверстия для переключателей и резьбовых втулок, а также зазоры для контактов печатной платы. Динамики упруго закреплены с небольшим зазором относительно нижней части панели, что позволяет решеткам выполнять двойную функцию в системе охлаждения. Конечный результат имеет винтажный оттенок, который я искал, и душевные качества для хорошего звука.

Системные переключатели

Изначально я думал об использовании сенсорных переключателей с лазерной гравировкой мест активации на верхней поверхности задней панели. Первое тестирование с готовой платой расширения, казалось, указывало на то, что это может сработать. Однако специальная плата, разработанная Хуангом, показала возможные проблемы с надежностью, связанные с недостаточным заземлением. С осознанием технической сложности подхода стало также казаться, что тактильное переключение и надежнее, и эстетичнее.


У меня был набор образцов купольных переключателей от Snaptron, поэтому я выбрал модель с подходящими свойствами и попросил Хуанга разработать печатную плату для их поддержки. Приводы должны были быть заподлицо с верхней поверхностью задней панели. Я спроектировал и изготовил на ЧПУ утопленное основание переключателя и привод с заданным дизайном штифта внизу для правильного взаимодействия с купольным переключателем и более крупной гладкой формой кнопки сверху. Получившаяся комбинация прекрасно интегрируется с остальным дизайном и обеспечивает приятный звуковой и тактильный щелчок при нажатии. Дополнительные переключатели на плате доступны после снятия клавиатуры.


Наконец, добавление схемы магнитного датчика на печатную плату поддержки динамиков позволяет пользователю выбирать действия при закрытии крышки в ответ на соответствующий магнит, установленный в алюминиевой шарнирной пластине.

Клавиатура

Компьютер Novena предназначен для экспериментов и включает в себя различные точки доступа к аппаратной системе. Множество выводов, переключателей, порт FPGA и парочка USB — все это доступно внутри корпуса модели Heirloom. В ноутбук Heirloom должен быть легкий доступ к внутреннему пространству. Для выполнения этого требования используется компактная клавиатура ThinkPad, форм-фактор которой подходит идеально.

Решено было разместить эту клавиатуру между пазом в цельной деревянной передней планке и изогнутым выступом вдоль переднего края задней панели, на которой находятся динамики и переключатели. Второстепенная цель — оставить задние ножки клавиатуры в нижнем положении при установке на корпус. Опущенные ножки помогают вернуть клавиатуру в ее «колыбель».


Интересной особенностью ThinkPad является слегка изогнутый передний край, где ладонь пользователя лежит во время набора текста. Я воспользовался этой деталью, повторив и продолжив изгиб вдоль передней планки — так эргономичнее. Последний элемент интеграции клавиатуры — паз для пальца на передней планке, который позволяет легко извлекать клавиатуру и предоставляет второй канал для воздушного потока внутрь корпуса.

Ножки

В конструкциях ноутбуков обычно используются эластомерные ножки на клейкой основе, которые наклеиваются в литые углубления на пластиковом или алюминиевом корпусе. Из-за особых деталей дизайна пришлось найти другой способ интеграции ножек в конструкцию. Рассмотрев различные концепции, я остановился на системе, использующей небольшой уретановый шарик с относительно высокой твердостью по Шору (дюрометр — мера твердости). Он вставляется с небольшим натягом в отверстие, в котором предварительно установлен винт — так обеспечивается возможность регулировки. Шарики относительно легко заменяются по мере износа и оказывают минимальное визуальное влияние на общий дизайн. Относительно высокая нагрузка, приходящаяся на малую площадь контакта четырех шариков, по-видимому, обеспечивает хорошее сцепление с большинством рабочих поверхностей.

Заключение

Я стремился сделать дизайн Heirloom максимально успешным, учитывая масштабность задачи и очень малый объем производства. Он ни в коей мере не решает все возникающие вопросы или не претендует на производство потребительского уровня. Каждый из этих компьютеров — по сути, штучный проект. Я считаю, что Heirloom достигает большинства целей, которые я ставил перед проектом, и должен хорошо служить пользователям как в качестве необычного, полезного инструмента, так и в качестве уникальной, хотя и очень маленькой, части истории компьютерного дизайна.