Quả cầu LED RGB Geodesic(k) - Đỉnh cao nghệ thuật in 3D

LƯU Ý RẤT QUAN TRỌNG

Đây không phải là một dự án đơn giản chỉ việc in, lắp ráp rồi tận hưởng. Nó đòi hỏi bạn phải có kinh nghiệm, kiến thức cơ bản về điện tử, sự kiên nhẫn cao độ và có lẽ là cả một tinh thần thép nữa (nhưng kết quả nhận lại hoàn toàn xứng đáng!). Mình sẽ cố gắng cung cấp cho bạn nhiều thông tin nhất có thể để giúp công việc của bạn dễ dàng hơn.

Ủng hộ công việc của mình

Đối với linh kiện và nhựa in không phải của Prusa, hãy ghé thăm 3DJake (International, UK, Germany, France). Mình sẽ nhận được một khoản hoa hồng nhỏ từ đơn hàng của bạn mà không làm tăng thêm bất kỳ chi phí nào cho bạn 😉.

Nếu muốn ủng hộ trực tiếp, bạn có thể mời mình một ly cà phê.

Nếu bạn muốn mua máy in Prusa và nhận Prusameters (mình cũng sẽ nhận được một ít), bạn có thể dùng mã giới thiệu "@Whity" khi thanh toán hoặc nhấp vào các liên kết sau: | CORE One | CORE One Kit | MK4 | MK4 Kit | MINI+ | MINI+ Kit | XL | SL1S | SL1S+CW1S |

Xem thêm các mẫu in khác của mình.

Cập nhật

07.09.2020:

• Thay thế tất cả tệp STL geodesic (giờ đã được định hướng vị trí in tối ưu)
• Thêm tệp cấu hình Cura cho MK3S
• Thêm ảnh chụp màn hình các lớp (để cải thiện độ chính xác)
• Thêm phần "Mã chương trình"

Giới thiệu

Đây là bài dự thi của mình cho cuộc thi "Lights and 3D printing" của Prusa vào tháng 9 năm 2020. (Đừng quên nhấn thích cho nó nhé...)

Hai quả cầu LED RGB với hình dáng giống như bạn đã biết từ các vòm geodesic, nhưng là hình cầu trọn vẹn.

Vì mình đã dành hơn một trăm giờ cho dự án này, mình muốn bắt đầu bằng câu chuyện phía sau và quy trình để đạt được phiên bản cuối cùng. Nếu bạn không quá quan tâm đến câu chuyện, hãy cuộn xuống phần in ấn (phần đó rất quan trọng!).

Câu chuyện

Có lẽ một số bạn đã biết về Chaos Communication Congress (với khoảng 17.000 người tham dự) diễn ra hàng năm vào dịp Giáng sinh và Năm mới. Và như mọi năm, mình lại nghĩ về một dự án có thể mang tới đó (điều này đã trở thành một kiểu truyền thống đối với mình).

Mình biết chắc chắn nó phải có đèn LED RGB, chỉ thế thôi. Vậy nên mình bắt đầu tìm kiếm trên Google, Youtube và các trang in 3D để lấy ý tưởng. Một buổi tối nọ, mình tìm thấy video này, nó đã khơi gợi mình tìm hiểu về các quả cầu geodesic mà chẳng hề hay biết nó sẽ dẫn đến đâu.

Nhiều buổi tối sau đó, mình mới có ý tưởng mơ hồ về ngoại hình của nó.

Từ bản PoC đến phiên bản cuối cùng

Khởi đầu

Mọi thứ bắt đầu bằng việc kiểm chứng khái niệm (proof of concept). Liệu nó có hoạt động được không?

Đây là lần thử nghiệm "nhanh" đầu tiên của mình bằng cách dùng các đèn LED RGB đơn lẻ từ dải LED W2812B:

Mình cũng đã quay một video về nó.

Nó có vẻ khá hứa hẹn. Để tính toán độ dài chính xác của các hình tam giác đơn lẻ, mình đã sử dụng máy tính trực tuyến này.

Làm cho nó lớn hơn

Bước tiếp theo là tìm cách lắp ráp các mảnh tam giác đơn lẻ lại với nhau. Đây là phần tốn nhiều thời gian nhất...

Lưu ý: Ban đầu mình in vài lớp đầu bằng PLA trắng và phần còn lại bằng màu bạc vì hy vọng sẽ có các ô sáng hơn và phân tách tốt hơn. Hóa ra sau này điều đó chẳng cần thiết chút nào. In toàn bộ bằng màu trắng là ổn.

Mình dùng băng dính để ghép bốn mảnh tam giác lại một cách chính xác nhất có thể, rồi ghép năm mảnh thành một vòng tròn đầy đủ.

Lưu ý: Chỉ cần một góc sai lệch nhỏ trong thiết kế là sẽ gây ra sai số lớn...

Mình đã sửa lại góc tính sai trong thiết kế.

Keo nến (Hot glue) là nhất!

Mình không thích các khe hở giữa các hình tam giác lớn và các góc trông không đẹp mắt như bạn thấy trong video này.

Hơn nữa, độ chính xác vẫn chưa đủ tốt cho một quả cầu hoàn chỉnh. Một sai số nhỏ lại tích tụ dần. Nó đơn giản là không trông đẹp như mình mong muốn. Thế nên, hành trình tìm giải pháp tốt hơn bắt đầu...

Cải thiện độ chính xác

In nửa quả cầu trong một mảnh duy nhất không phải là lựa chọn khả thi vì nó rất phức tạp và cuối cùng cũng không trông đẹp lắm.

Mình nảy ra ý tưởng in nhiều hình tam giác phẳng, giống như một dải duy nhất, rồi dán chúng lại với nhau. Cách này sẽ giảm thiểu khả năng sai sót đi rất nhiều.

Vì mình không có ảnh chụp các mảnh lẻ, nên mình gửi bạn ảnh render:

Nghe có vẻ dễ nhưng thực tế thì không... Tốn không ít thời gian để mọi thứ vào đúng vị trí.

Lớp đầu tiên phải là một diện tích liền mạch. Nhưng tất cả các phần mềm slicer mình thử đều tạo mã gcode với từng hình tam giác nằm cạnh nhau với đường viền ngoài riêng biệt, hoặc chúng muốn in lớp thứ hai ở phần "bản lề", điều này cũng không lý tưởng:

Tất nhiên, cách này không thể dán chúng lại với nhau một cách chính xác. Vì chỉ có một lớp duy nhất giữ chúng, chúng sẽ bị rách ra.

Mình phải điều chỉnh thiết kế một chút để slicer nhận diện lớp đầu tiên là một diện tích liền mạch:

Đã tốt hơn nhiều.

Slice và In

Mọi thứ đều nằm ở độ chính xác. Mình đã thử nghiệm các phần mềm slicer khác nhau (Prusa Slic3r, Simplify3D và Cura). Cura hoạt động tốt nhất cho mình sau khi tinh chỉnh một chút. Vì đây là một quá trình tốn thời gian, bạn có thể tải tệp cấu hình tại đây (Đã in trên máy MK3S).

Bạn sẽ tìm thấy hướng dẫn lắp ráp và mẹo trong phần "In & Lắp ráp" dưới đây.

Điện tử và Nguồn

Nó phải chạy bằng pin (tất nhiên rồi). Mình không muốn có bất kỳ sợi dây nào lòng thòng bên ngoài.

Thiết lập hiện tại của mình sử dụng Arduino Nano, cảm biến con quay hồi chuyển MPU-6050, mạch nâng áp Step-Up (giảm áp Step-down trên quả cầu lớn), BMS và vài viên pin 18650 tái chế. Đèn LED mình sử dụng là loại LED W2812B đơn lẻ hàn trên mạch PCB 10mm. Chi tiết hơn ở bên dưới.

May mắn là mình sở hữu một máy hàn điểm:

Kế hoạch ban đầu là dùng Wemos D1 Mini, nhưng hóa ra nó thỉnh thoảng gặp vấn đề với dải LED (có lẽ do thời gian? mình không biết). Một ngày nào đó mình sẽ thiết kế lại và dùng ESP32, mình đã thử nghiệm và thấy nó hoạt động ổn (nó còn có Wi-Fi nữa...).

Kết luận

Dự án này vừa tuyệt vời nhưng cũng rất gây ức chế. Không ít lần mình muốn bỏ cuộc vì mọi thứ không diễn ra đúng như dự định.

Nhưng khi mình bật phiên bản cuối cùng lên lần đầu tiên, mình đã đứng hình. Nó trông thật kinh ngạc và đẹp đẽ. Mình đã ngồi trên ghế sofa ngắm nhìn nó, chắc cũng vài tiếng đồng hồ...

Ban đầu mình đã nghĩ về một phiên bản lớn hơn (nhiều tam giác hơn) nhưng đã loại bỏ ý định đó trong quá trình xây dựng vì tất cả những điều bực bội đã xảy ra với quả cầu đầu tiên.

Nhưng, mình đã bị nghiện. Mình phải xây dựng nó. Và mình đã làm được...

May mắn thay, lần này đỡ vất vả hơn lần đầu và kết quả còn ấn tượng hơn nữa.

Tiếp theo là gì

Mình đang bắt tay vào làm một cái mới, nhưng sẽ mất thêm một thời gian nữa để hoàn thành. Nhiều thách thức mới đã xuất hiện, vì nó sẽ khác biệt hoàn toàn...

==========================================

In & Lắp ráp

Các chi tiết cần in

Với quả cầu geodesic nhỏ (2V), bạn cần in những phần sau:

• 2 x gs-2v-125mm_ring-01.stl
• 2 x gs-2v-125mm_ring-02.stl
• 2 x gs-2v-125mm_ring-03_1.stl
• 2 x gs-2v-125mm_ring-03_2.stl

Với quả lớn (3V):

• 2 x gs-3v-180mm_ring-01.stl
• 2 x gs-3v-180mm_ring-02.stl
• 2 x gs-3v-180mm_ring-03_1.stl
• 2 x gs-3v-180mm_ring-03_2.stl
• 2 x gs-3v-180mm_ring-04_1.stl
• 1 x gs-3v-180mm_ring-04_2.stl
• 2 x gs-3v-180mm_ring-04_magnets_1.stl
• 1 x gs-3v-180mm_ring-04_magnets_2.stl
• 2 x gs-3v-180mm_ring-05_1.stl
• 1 x gs-3v-180mm_ring-05_2.stl

In ấn

Tóm tắt:

• Lớp đầu tiên phải được in thành một diện tích liền mạch
• Các phần phải được xoay đúng cách sao cho phần infill của lớp đầu tiên không bao giờ song song (hoặc gần song song) với các cạnh của hình tam giác, nếu không nó sẽ bị rách tại điểm đó (xem thêm bên dưới)
• In với độ cao lớp 0.2mm
• Không dùng infill (ngoại trừ các lớp trên cùng và dưới cùng tất nhiên...)
• Mình khuyên dùng tấm thép lò xo phủ bột (trông đẹp hơn và cảm giác tốt hơn)
• Tùy vào loại nhựa, bạn có thể cần dùng brim để tránh bị cong vênh

Mình dùng Cura vì nó hiệu quả nhất với mình. Bạn có thể tải tệp cấu hình mình dùng tại đây.

Các chi tiết phải được định hướng đúng và thiết lập slicer phải chuẩn để có được mảnh ghép có thể lắp ráp mà không bị rách giữa các hình tam giác.

Đây là ví dụ về lớp đầu tiên:

Quan trọng nhất là infill của lớp đầu tiên phải là một diện tích duy nhất (không phải nhiều hình tam giác riêng lẻ, cách đó sẽ không hoạt động!).

Cũng rất quan trọng là các mảnh phải được định hướng sao cho các đường infill cắt qua các cạnh của hình tam giác với góc lớn nhất có thể. Lý tưởng nhất là 90° nhưng tất nhiên không phải lúc nào cũng làm được. Bạn phải tìm ra định hướng tốt nhất. (Cập nhật: Mình đã thay thế các tệp STL để chúng có định hướng lý tưởng ngay từ đầu rồi).

Bạn có thể chuyển đổi giữa lớp thứ nhất và lớp thứ hai để tìm ra định hướng tốt nhất:

Linh kiện bổ sung

Tổng quát

Bạn cần các linh kiện sau:

• Nhỏ (2V): 80 đèn LED Lớn (3V): 180 đèn LED (xem dưới)
• Nhỏ (2V): 40 nam châm Lớn (3V): 60 nam châm (Đường kính 8mm, dày 1mm. Hãy mua loại tốt và mạnh, đừng mua loại rẻ tiền!)
• Vi điều khiển (ví dụ Arduino Nano hoặc ESP32 nếu bạn muốn BT/WLAN. Đừng dùng Wemos D1 mini, chúng không hoạt động chính xác)
• Pin 18650 (hoặc nguồn điện khác)
• BMS nhỏ để bảo vệ pin (tùy chọn nhưng nên có)
• Mạch nâng áp (Step-Up) hoặc hạ áp (Step-Down) để có 5V Nó phải cung cấp đủ dòng để thắp sáng tất cả đèn LED (Mình dùng Step-Up 3A cho quả nhỏ và Step-Down 5A cho quả lớn)
• Công tắc nguồn
• Tùy chọn: Cảm biến như micro, cảm biến gia tốc, ...
• Dây điện trần (0.5mm)
• Đầu nối RC (hoặc chỉ cần hàn trực tiếp, ngoại trừ đầu sạc)
• Keo dán TỐT VÀ NHANH (xem dưới)
• Súng bắn keo nến (tùy vào "cách làm của bạn")

Đèn LED

Mình dùng LED W2812B, mỗi cái hàn trên một mạch PCB 10mm giúp việc dán và hàn dễ dàng hơn nhiều. Bạn sẽ tìm thấy chúng trên AliExpress hoặc eBay.

Pin

Về cơ bản bạn có thể dùng bất cứ loại nào bạn thích.

Các quả cầu geodesic của mình hiện dùng pin 18650 cấu hình 1s7p (quả nhỏ) và 2s4p (quả lớn).

Lưu ý: Bảy viên pin trong cấu hình 1s7p là quá nhiều cho quả nhỏ. Hiện nay mình sẽ dùng bốn viên cấu hình 2s2p, hoặc có khi chỉ 2s1p. Với bảy viên, nó chạy được khoảng 40 giờ với mã nguồn hiện tại.

Trong quả lớn, mình dùng 2s4p (chạy được khoảng 20 giờ).

Nói chung mình khuyên dùng cấu hình 2sXp vì sạc nhanh hơn. 1sXp thì hơi chậm.

Pin của mình (đã dán linh kiện điện tử) trông thế này:

Sạc

Ban đầu mình tích hợp bộ sạc nhỏ 1A. Nhưng nó bị nóng quá và 5V/1A (đỉnh) thì quá chậm.

Cuối cùng mình dùng bộ sạc ngoài (iMAX B6).

Sơ đồ

Cách đi dây hiện tại của mình không hoàn hảo chút nào. Vì vậy mình không cung cấp sơ đồ chính xác. Tùy thuộc vào bạn, vì có thể bạn sẽ muốn thêm cảm biến hoặc dùng linh kiện khác.

Lắp ráp

Bạn sẽ cần một loại keo dán chắc và nhanh để lắp các phần lại, nếu không nó sẽ là một cơn ác mộng (nghiêm túc đấy).

Mình đã thử khoảng mười loại keo và đây là loại mình chọn:

Một loại tốt khác là "Gorilla Superglue GEL".

Tiếc là mình không có ảnh lắp ráp nhưng mình có một số ảnh chụp màn hình từ thiết kế để chỉ cách mình làm.

Mình sẽ giải thích cách lắp một nửa của quả cầu nhỏ:

1. Dán các "vòng" đơn lẻ lại với nhau

Đây có lẽ là phần phức tạp nhất.

Thời gian để keo khô tốt tùy thuộc vào loại keo bạn dùng. Phần quan trọng là làm thế nào để căn chỉnh hai đầu sao cho đường dán thẳng và đẹp.

Sử dụng một bề mặt phẳng và một mảnh nhựa để tránh việc các chi tiết dính vào bàn làm việc.

Mình đã quay một video để chỉ cách mình dán hai đầu của một phần lại với nhau.

QUAN TRỌNG: Chỉ dán hai "phần đầu" lại (các mặt màu xanh trong ảnh dưới), không dán từng hình tam giác đơn lẻ.

Ring 01:

Ring 02:

Ring 03:

2. Dán Ring 01 và Ring 02 lại với nhau, sau đó dán lên trên Ring 03:

Gợi ý: Xoay vòng để tìm vị trí khớp nhất.

3. Lặp lại bước 1 và 2 cho nửa còn lại

4. Nung chảy các hình tam giác lại với nhau

Để quả cầu chắc chắn hơn, mình dùng bút in 3D (tốc độ chậm) để nung chảy các hình tam giác lại. Sau đó mình dùng mỏ hàn để gia cố thêm (đó là lý do tại sao các đường nối bị phẳng trong ảnh dưới). Nhưng phần dùng mỏ hàn thực ra không cần thiết. Bút in 3D đã làm nó khá chắc rồi (dù rơi thì chắc cũng không chịu nổi đâu...).

5. Dán đèn LED vào

Lưu ý: Với mình, dùng một ít keo nến hoạt động tốt hơn là keo dán thông thường.

Dán một đèn LED vào mỗi hình tam giác.

QUAN TRỌNG: Luôn chú ý đến hướng của đèn LED và đường đi bạn muốn kết nối chúng ở bước sau. Một đèn LED bị quay sai hướng là bạn sẽ gặp rắc rối lớn sau này đấy... Như bạn thấy trong ảnh, mình đã đánh số chúng trước. Và hãy nhớ rằng, ở nửa thứ hai, nó tiếp tục trên vòng Ring ngoài cùng (03).

6. Hàn, hàn và hàn...

Nếu bạn chưa nhận ra thì giờ sẽ biết. Bạn sẽ phải hàn 477 điểm trên quả nhỏ và 1.077 điểm trên quả lớn. Nghe vui nhỉ :-D (Nhớ rằng: Kết quả xứng đáng mà. Bạn đã đi xa được đến đây rồi)

Gợi ý: Dụng cụ nha khoa như thế này (hoặc thứ tương tự) giúp ích rất nhiều trong việc uốn dây điện một cách chính xác.

Sử dụng dây trần 0.5mm giúp quá trình này nhanh hơn nhiều. Ở dự án hiện tại mình cũng dùng dây trần cho đường tín hiệu (data) thay vì dây bọc đỏ như trong ảnh.

Như bạn thấy, bạn có thể kết nối tất cả các điểm 5V và GND bằng một sợi dây duy nhất cho mỗi loại. Không cần phải nối từ đầu ra của đèn này sang đầu vào của đèn kế tiếp.

Cách mình làm:

• Chấm một chút thiếc lên mỗi điểm 5V và GND đầu tiên (IN) dọc theo đường đi (trừ cái đầu tiên...)
• Hàn dây vào chân GND đầu ra của đèn LED đầu tiên
• Hàn dây vào chân GND của đèn kế tiếp, chừa đủ không gian cho dây 5V và Data (Nhân tiện: Dùng găng tay vải giúp tránh bỏng ngón tay khi ấn dây nếu bạn không có dụng cụ phù hợp)
• Tiếp tục cho đến khi xong dây GND trên nửa quả cầu
• Hàn dây vào chân GND (OUT) trên mỗi đèn
• Làm tương tự với các chân 5V
• Lặp lại cho nửa quả cầu thứ hai

Giờ chỉ còn thiếu đường tín hiệu. Nó luôn phải được nối từ chân OUT sang chân IN.

Bạn có thể hàn từng cái một. Hoặc, như mình gần đây, làm giống như dây GND và 5V, sau đó cắt bỏ một đoạn dây giữa chân IN và OUT bằng kìm cắt (cần loại kìm tốt cắt được đến tận mũi).

7. Kết nối phần còn lại

Việc gần như cuối cùng là kết nối hai nửa quả cầu và mạch điện:

Với cả hai, mình dùng các giắc cắm RC có sẵn.

8. Nam châm

Để giữ hai nửa lại với nhau, chúng ta dùng nam châm. Như đã nói, hãy mua loại mạnh. Loại rẻ tiền, dù ghi N50 hay N52, phần lớn chỉ là N35 (nếu bạn may mắn).

Đảo cực tính của mỗi nam châm như thế này và thêm một ít nhựa in bằng bút 3D để đóng kín lỗ hổng (chúng vẫn nên hơi di chuyển được một chút):

Để ngăn hai nửa bị lệch khỏi nhau, hãy dán vài mẩu nhựa in ngắn vào một bên.

Mã chương trình

Bạn có thể tìm thấy rất nhiều ví dụ trong GitHub repository này. Tất cả hiệu ứng mình hiện đang dùng đều từ trang này.

Ghi công

Bàn tay in 3D mà bạn thấy trong ảnh và mình dùng làm chân đế cực ngầu cho quả cầu được thiết kế bởi MikeVR và bạn có thể tìm thấy nó tại đây (theo giấy phép Creative Commons - Attribution - Non-Commercial - Share Alike).