耐久的電子產品:我做了一臺傳家寶筆電

二月 11, 2016
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Novena Heirloom是我為邦尼‧黃(Bunnie Huang)及尚‧克洛斯(Sean Cross)所設計的開放原始碼Novena電腦所建造的限量版客製化外殼系統,與位於奧勒岡州波特蘭市的Crowd Supply合作進行群眾募資而成。
為了這個募資專案,我開發了好幾個原型概念。在諮詢過邦尼‧黃之後,我們放棄了畫架的設計,而選擇了較為傳統的掀蓋式筆記型電腦設計。使用者對進出內部元件的要求促使我們選用可卸除的鍵盤,同時也是最終設計的原則。我們的設計概念是被由迪特‧拉姆斯(Dieter Rams)所代表的經典HiFi設計所啟發,也希望可以藉此向他致敬。Heirloom的最終設計仍然顯著地呈現了最初的概念原型。

複合材料製造
Heirloom的外殼主面板是根據薄木板、電子級玻纖布、軟木和環氧樹脂等材質設計。受我的相機設計裡使用的交織層板木的影響,我進行了一系列材料組合的嘗試,最後找到了用於Heirloom電腦的製程。這個材質展現了我們需要的耐久性、強度、重量、外觀和環境影響間的平衡。選用軟木做為核心材質而非木材或其他硬質材料的額外優點是耐撞度的大幅提升。
Heirloom的製造採用複合面板搭配實心木材。雖然在LCD面板的較大表面積部份採用複合材料,在外殼底部和背面的喇叭、開關面板等處,我們在需要機械性連接(下方鉸鏈安裝點)、重要塑型(LCD面板的上下軌道)和較寬的邊緣修飾(LCD面板兩側的腳柱)等地方採用實心材料。

在評估複合材料的初步打樣後,邦尼‧黃決定把一份樣本送交他在MIT的同事進行結構測試。他在一篇網誌的文章中描述了測試的結果。

Heirloom的複合材料是成層結構的材質,組成的每一層各提供最終成品所需要的特性。這些材質依序是:

  • 0.7 mm薄木板
  • 5.6 oz電子級玻纖布
  • 3 mm 20 kg/m3軟木複合核心
  • 5.6 oz電子級玻纖布
  • 0.7 mm薄木板

這個材料是以高模量環氧樹脂,採用訂製模具組裝;模具包含二件式實心模配置及搭配真空袋定位系統的單件式模具。針對曲線造型,我常用的是氣壓作動的夾圈系統或氣壓定位機,但這兩種方法都沒辦法用在這樣的複合材料上。

木材種類
根據對產品功能的合適性和美學特性的平衡,我們選擇了四種木材:杜卡木、核桃木、黑欖仁木和非洲柚木。

我起初尋找的是在地伐砍的西方核桃木。有一家位於波特蘭的公司幫我們把木材切割成木條和薄板的形態,讓我們同時需要這兩種形態的設計方便進行。這批木材的紋路和色澤比一般常見的東方核桃木更亮眼,有吸引人的層次和特色。

在最近的一個專題中我接觸到原先不熟悉的非洲柚木,外觀類似柚木,但有獨特的顏色和特質。它的顏色會隨時間慢慢轉深成一種厚實的金棕色,而且有可以和Heirloom的設計融合的質感。

我在木製相機的設計過程中認識的是杜卡木。它有美麗的緞帶紋路、濃郁的紅色調和合適的物理特性。

黑欖仁木有醒目的外觀,黃色調的背景上蜿蜒著棕色條紋。很幸運地,有一家在地的供應商有能搭配長期合作的協力廠商所提供的薄木板的木材。

把這些薄木板製成合適的複合材料是不斷嘗試的結果。我們對環氧樹脂候選材料、氣相二氧化硅和微球體等混合物,以及塗料技巧進行微調,把滲透降到最低,同時把效能最佳化。我們架設了三個組裝工作站來切割材料、混合並塗上環氧樹脂,以及將材料壓模成最終形狀。較厚的核桃木板是用寬面砂帶拋光機來磨成正確厚度(約0.7 mm)來配合其他木材。通常會帶來優勢的核桃木板這次在製程上達到尺寸吻合和取得兩個複合面板使用的彎曲半徑等方面形成了挑戰。

軟木
軟木業近年來一直積極拓展軟木的應用範圍,讓它開始在原本採用蜂窩木板或輕木做為核心材質的產品中被使用。我起初的嘗試採用的是現成的軟木,但最後仍需要購買特製大捲3 mm軟木來製做Heirloom的元件。長久以來被當作永續性材料的軟木有非常適合做為Heirloom複合材質核心的天然特性,同時也降低了對環境的衝擊。

組裝
LCD面板和主外殼元件的組裝採用的是真空袋定位技術。在黏著工作站把各層面板組裝完成後,組件被轉移到壓模工作站,放入重縫袋並以滾筒桿和夾子密封。接著我們用特殊的真空幫浦把袋內空氣抽光,在環氧樹脂黏合劑硬化的同時讓大氣壓力把各層材質壓緊。對很多面板應用而言,這是最簡單也最具成本效益的技巧。然而,對承載喇叭和開關並支撐鍵盤背面的後面板而言,因為彎曲半徑較小,用真空處理不夠可靠。雖然我有能夠提供比真空袋高很多的閉合壓力的氣壓貼合機,在這個情況下,製做一對相符的彎曲模板來壓合各材質才是最簡單的做法。彎曲模的其中一面裝有氨基甲酸乙酯泡棉表面來透過容納材質厚度些微差異的特性確保壓力能完整、平均地施加在層板上。模具和層板是用標準的木工夾來壓合在一起。
為了在Hierloom的主外殼增加強度、加強散熱和提升美感,我的底部面板是選用波浪造型。如此的些微起伏形成一種半硬殼的結構,能夠強化外殼原本平坦的部位,同時在外殼底部提供一定程度的通風。這個在仔細檢視才會發現的視覺細節是個額外的驚喜。
金屬元件
憑藉我自己金屬和木材結合設計的豐富經驗和來自德國設計師迪特‧拉姆斯的靈感,我在Heirloom的兩個側面板設計上採用鋁材。
這兩塊面板有整體法蘭的設計,讓它們能和波浪狀的外殼底部複合材料面板連結。另一部份的法蘭在兩側支撐背面板。左側面板有凹槽和穿孔,讓PCB能穿過,到達含有供埠陣列上每個接頭使用的開口的分離固定配流盤。配流盤在內側表面也有小槽,在原本螺絲孔因為側面板的深度而無法觸及的地方支撐PCB板的埠端。每塊面板的上下緣都有大刻面,可以減輕主外殼的重量並增加視覺美感。
內部配置
外殼底部的波浪造型讓主PCB、電池PCB、電池和SSD安裝在外殼的過程變得較為複雜。我有考慮過安裝高度不等的螺紋襯套來構成平坦的上表面來支撐PCB,但很快就轉向思考在外殼底部安裝一塊統一的面板來容納所有需要裝在那一面的元件。因為邦尼‧黃在他的Novena外殼設計中採用了螺紋Peek陣列,我決定效法他並設計一個鋁製Peek面板供Heirloom的外殼使用。
當時我正在研究可能的被動冷卻解決方案,而大面積的鋁材似乎在我們的設計中會很有用。這塊鋁板是透過三排用類似用於LCD和喇叭、開關面板的方法安裝在複合材料的螺紋襯套來連接到複合材料上。每一個孔都裝入一個螺紋黃銅襯套,用氨基甲酸乙酯或經橡膠增韌的氰基丙烯酸酯黏著劑來固定。
我在Peek板上一系列的孔裝入不銹鋼壓鉚螺柱來提供PCB和SSD安裝位置。剩餘的襯套位置則形成Peek陣列。因為開放式的設計,這個過程讓標準帽蓋的安裝變得複雜,所以我設計了一個替代的螺紋襯套解決方案,帶來的額外優勢是有更大的上方面積供分散的安裝應用使用。
Heirloom專用的電池、風扇總成和轉接板佔去了部份的Peek陣列,留下少量的空間供使用者安裝利用。我設計並用CNC製作了特製的SSD及電池托架。
我們用來冷卻CPU的向心風扇有無法用在這裡的安裝設備也沒有現成的方法可以連接到邦尼‧黃採購的熱槽。我設計並用CNC製做了一個鋁板裝置來取代風扇上的蓋子並提供Peek板的安裝位置、熱槽架,以及未來可以安裝傳熱充氣室的安裝裝置。
LCD面板
Novena專題選用的LCD在底部有相對大的非顯示表面,需要有解決方案來覆蓋這個區域並在面板設計上提供接線路徑。此外,絞鏈需要透過一個相對淺的捕獲空間進行連接,同時長期提供樞軸運動所需的剛度。我最後認為用鋁板可以乾脆地解決這兩個問題。設計的內部表面是中空的,提供足夠的深度來安裝把絞鏈板連接到較大的LCD面板框的絞鏈和螺絲。
絞鏈板最後削薄來配合Heirloom外殼的其餘部份;底部的實心LCD面板軌道以機械方式固定在它的底部。把LCD面板連接到主外殼的過程會很有趣。
絞鏈
Heirloom的設計過程中一個挑戰性特別高的層面是採購適合這個設計概念的絞鏈。能把筆記型電腦螢幕固定在任何角度的特殊扭力絞鏈大概有四家。這類絞鏈大多設計為隱藏在典型筆電的模塑塑膠元件中,因此對Heirloom這樣的設計而言不太上得了檯面。有些絞鏈的設計還包含了提供LCD接線路徑的裝置,讓外觀更加複雜。此外,連接方式的基礎通常是以隱藏的金屬元件來吸收施加在標準絞鏈上常見的小面積絞鏈葉的扭力。我要找的絞鏈類似標準珠寶盒使用的絞鏈。把這個想法和Heirloom的小規模生產結合就形成了一個困難的採購條件。
图片

做了一些功課之後,我終於找到符合外觀要求的庫存絞鏈,然而細節裡的魔鬼告訴我們有合適的絞鏈葉的產品實在少之又少。在和供應商討論半訂製絞鏈的選項時,好幾個月就過去了。最後我和他們談成了一份訂製的訂單,不用滿足誇張的最低訂購量要求或付出昂貴的單位零件成本。在焦急等待到貨的同時,最終的絞鏈設計充份地滿足了我們所有的需求。在設計並安裝線路解決方案,接著以CNC製作絞鏈的下方榫眼後,LCD面板成功地和主外殼接合起來了。
因為絞鏈的轉矩摩擦不會讓LCD面板完全和下半部外殼閉合,我們在LCD的木框和外殼的鋁側板嵌入一系列的磁鐵,提供足夠的磁力讓蓋子完全閉合。

熱管理
前期和邦尼‧黃的討論中,我們共同決定為Heirloom的外殼開發被動冷卻解決方案。邦尼‧黃的Novena外殼設計所採用的開放式外殼就不需要特別強化散熱系統。雖然Heirloom的設計允許開放式的應用,鍵盤可以擺在外殼前方(如此可以讓充足的冷卻氣流進入),但或許鍵盤會更常擺在外殼內部。如此一來會構成封閉的系統,讓氣流很難自然進入。用這個封閉式配置測試的結果確認將會有CPU過熱的問題。

因此,我開始研究為Heirloom設計被動冷卻系統的可能性。最後我和Aavid和Enertron等冷卻系統業者的工程師進行了多次討論,研究以熱管技術把熱從CPU轉移到較大的熱槽。

最初的研究標的是側面板大量鋁材,尤其是最接近CPU的左側板,所以我開始設計一系列的蒸發板和冷凝板,並在兩者之間放置熱管路徑。初次進行的嘗試中,我們用一套(由工程師計算的)散熱片切入側面板的上下緣,而這個做法的效果令我們不滿意,因為和熱管冷凝端的接觸冷卻面積太小,而且安裝散熱片的過程太費工。

在認定右側面板離CPU太遠,無法以熱管解決方案施工後,我們和兩名工程師合作發想了另一系列的概念。這些概念中,都有一個關鍵需求達不到標準。這個緩慢的設計過程和對外殼其餘部份關鍵設計元素的潛在衝擊刺激我在認定必須要安裝主動冷卻系統前考量最後一個選擇。
我剛完成鋁製Peek板的第一代設計,並且仍然在思考這片相當大面積的鋁材是否能做為熱槽使用。我把熱管引到SSD下方用圖未定的區域,構成一根新概念。這裡有充足的空間可以讓熱管的冷凝端取得可觀的接觸長度。這個配置類似一位工程師傳給我的照片中他稱為「冷板」的設計。但當這個概念被提出來討論時,兩位工程師之一指出因為缺乏進氣、排氣和伴隨流過板面的氣流,這是一個不適用的解決方案。另一位工程師則認為這的確看似一個可行的方法。碰上了這樣的意見分歧,又已經在這個可能沒有結果的方案上投入這麼多時間,我決定看看邦尼‧黃對採用主動冷卻解決方案有什麼想法。
先前我就開發一款新的小體積模片式冷卻技術的構想聯繫過另一位工程師,而他對這個構想能適用我們的目的相當有信心。這裡的優勢在於它可以簡單架設在CPU上的標準熱槽,所以空間的限制很低。但是它因為風扇的生產開發過程遇到的各種小問題被排除考慮。因此在詢問邦尼‧黃後,他找到了我們最後放進解決方案中的向心風扇的貨源。

風扇散熱
在邦尼‧黃抵達波特蘭進行為期一周的Heirloom細節討論前,我們已經完成風扇、熱槽、熱管總成的基本配置。有一個潛在的疑慮是如何安排將氣流排出外殼的管線。我們在還沒有解決方案前就開始測試,基本上只讓空氣在外殼內流動。測試結果顯示即使沒有和熱槽進行熱連接的訂製冷凝板或將熱槽連接管路至風扇,系統仍然達到效能的要求。外殼的鋁製側面板似乎在沒有加裝任何特殊配置的條件下就有合格的散熱效果。因此我開始研究讓風扇連接到Peek陣列和熱槽的解決方案。在快速製做幾個鋁製CNC原型後,我完成了最終的版本,在成功發揮作用之餘也留下在必要時加裝排氣室的空間。

邦尼‧黃有一個很酷的手機用熱影像裝置,用來拍出這張顯示Heirloom熱分布的照片。在右側板和喇叭口可以看到逸散的熱,而左側板則顯示空氣吸入外殼中的冷卻效果。
喇叭
Heirloom的音響系統起初需要採購的是合適的喇叭驅動器。因為空間有限,我訂購了一系列在這個條件下可能有用的驅動器設計。簡單的測試之後,候選的範圍就縮小到一款很有潛力,附有調諧埠的驅動器。它的尺寸能夠順利放入外殼的設計,所以我就把它畫進設計圖裡。要用來執行這項工作的複合板裝在鍵盤後緣到外殼後方絞鏈軌道之間的空間。現在剩下的就是讓聲音能穿透面板表面。我偏好使用穿孔的設計,所以就用它開始畫設計圖。接著我很快就發現我想要的圓形造型對設計出美觀的配製形成了挑戰,但我也發現我的古典HiFi靈感派得上用場。
才華洋溢的迪特‧拉姆斯在很多音響系統的設計中都使用過圓形喇叭網配置。我找到幾個他設計的例子,而因為他的設計實在太有效率了,我決定向這位設計界翹楚致敬,只在他的設計上做些微修改。在我決定在難搞的複合材料上最佳的鑽孔配置後,我就把必要的開關加上去,並且切割襯套的螺紋焊PCB腳位間隙。喇叭驅動器堅固地安裝在面板底部,並且稍微保留間隙,藉此讓喇叭網對系統的散熱需求負起第二重功能。最後的結果有我想要的復古味道,也在這個簡單的音響設計上營造讓人覺得舒服的靈魂樂質感。
系統開關
我最初考慮的是使用觸控開關搭配在背面板上表面雷射雕刻的啟動位置。用市售轉接板進行的初步測試看起來可行,但邦尼‧黃設計的應用板顯示可能因為接地不足而會有可靠性的問題。在發現這個方法在技術面很複雜的同時,我們也覺得觸控開關可能更可靠也更能搭配Heirloom的整體美學。
我有一組Snaptron出品的彈片開關樣品,所以我選擇了其中有合適的特性的一款,然後請邦尼‧黃製作支援它們的PCB。因為致動器必須和後面板的上表面貼齊,所以我設計並用CNC製作了一個內凹的開關底座,以及一個在底部搭配指定腳位設計的致動器,讓它能和彈片開關以及上方較大的平滑按鈕形狀正確互動。最後的成果巧妙地和Heirloom的整體設計融合,並且在按壓時給予紮實的喀嚦聲和彈動觸感。把鍵盤取出後就能使用其他的機上開關。
最後,我們在喇叭支援PCB加裝磁力感測電路,讓使用者能選擇使用闔上筆電的動作來回應安裝在鋁絞鏈板上對應的磁鐵。

鍵盤
​Novena電腦的設計主軸是實驗性,並且在硬體系統提供各式各樣的存取點。Heirloom的外殼內提供數個腳位、開關、一個FPGA埠和一對USB埠。Heirloom筆電必須有便於使用內部空間的設計。為了達到這個要求,Heirloom的設計採用小面積的ThinkPad鍵盤,它的尺寸相當適合這裡的應用。

在Heirloom的設計中,我讓鍵盤被托住在前方實心木軌道和搭載喇叭和開關的後面板前方的彎曲唇板之間。一個次要的目標是讓鍵盤的後腳架在放置於外殼上時處於降下的位置。降下的腳架能幫助鍵盤回到被托住的位置。

ThinkPad有一個有趣的特色是在它的前端,也就是使用者打字時手掌放置的地方有些微的曲面。我利用這個小細節,配合並延續前軌道的曲線來為Heirloom的設計構成一個人體工學的舒適元素。

鍵盤整合的最後一個元素是前軌道上的單手指孔,讓取出鍵盤更容易,也讓外殼內部多一個氣流的通道。
腳架
筆記型電腦的設計通常會包含一組彈性腳架,以黏著劑固定於塑膠或鋁製的外殼上壓模成型的內凹。因為設計中的特定細節,我選擇尋找其他把腳架整合進Heirloom的方法。在考慮過各種概念後,我採取了一個利用小型、相對高硬度氨基甲酸乙酯球的系統。它單純是以壓入的方式固定在已經裝有固定螺釘的孔中,藉此讓它有辦法調整。這些球在磨損的替換時相對容易,在整體設計上的視覺影響也極小。施加在這四顆球的小面積上相對高的負重似乎能確保它能抓住大多數的桌面。
儘管難度很高,生產規模又非常小,我仍我盡力地把Heirloom設計到完美,雖然它確實沒有處理消費級設計或生產上的問題。每一臺Heirloom基本上都是一次性的專題。我相信Heirloom達成了多數我為這個專題設定的目標,而且對使用者而言會是一個特別、好用的工具,同時也是電腦設計史上雖小但獨特的一部分。

特別感謝:

邦尼‧黃(Bunnie Huang) – 天才駭客
尚‧克洛斯(Sean Cross) – 天才駭客副手
喬許‧利福頓(Josh Lifton)及CrowdSupply.com的全體團隊
戴洛‧羅斯曼(Darrell Rossman)(目前任職於CrowdSupply)
贊恩‧格雷(Zane Grey)(工作坊達人)
麗莎‧切諾托(Lisa Cenotto) – 我的唯一
克特‧默特威勒(Kurt Mottweiler)

By Kurt Mottweiler

(譯:屠建明)
[原文]

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