EDGE HEADPHONES. Adam Řehák. Diplomová práce FA ČVUT - Průmyslový design Ateliér: Prof. akad. soch Marián Karel 2015

EDGE HEADPHONES Adam Řehák Diplomová práce FA ČVUT - Průmyslový design Ateliér: Prof. akad. soch Marián Karel 2015

Obsah Úvod...4 Přehled technologií vhodných pro 3D tisk finálních produktů...5 3D skenovací technika...6 3D tištěná sluchátka...7 Testování fotogrametrie...11 Testování Artec skeneru...12-13 Práce s naskenovanými daty...14-15 3D tisk...16-22 Povrchová úprava...23-24 Kompletace...25 Data sheet - audio driver...26-29 Výkresy...30 Zdroje...31 ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA ARCHITEKTURY AUTOR, STUDENT: Adam Řehák AR 2014/2015 NÁZEV DIPLOMOVÉ PRÁCE: Návrh sluchátek s využitím 3D scanu uživatelova ucha a 3D tiskem komponent Design of earphones using 3D scan of ear and 3D printed components JAZYK PRÁCE: český Vedoucí práce: Prof. akad soch. Marián Karel Oponent práce: Ing. Adam Sporka, Ph.D. Klíčová slova (česká): Anotace (česká): (ČJ) (AJ) Ústav: Průmyslový design Návrh sluchátek do uší s využitím 3D scanu ucha a 3D tisku komponent. Anotace (anglická): Design of earphones usign 3D scan of ear and 3D printed components. Prohlášení autora Prohlašuji, že jsem předloženou bakalářskou práci vypracoval samostatně a že jsem uvedl veškeré použité informační zdroje v souladu s Metodickým pokynem o etické přípravě vysokoškolských závěrečných prací. (Celý text metodického pokynu je na www FA studium/ke stažení) V Praze dne Podpis autora-bakalářské práce Tento dokument je nedílnou, povinnou součástí bakalářské práce i portfolia(titulní list)

Rád bych tímto poděkoval Mariánu Karlovi a Josefovi Šfaříkovi, za jejich skvělý přístup k vedení ateliéru a upřímnou ochotu při práci se studenty.

Úvod V posledních letech se stále více pohybuji v oblasti 3D tisku a využívám ho i ve svých návrzích. 3D tisk je často vnímán pouze jako nástroj pro prototypování, méně často jako plnohodnotná výrobní technologie, schopná generovat finální produkty. 3D tisk, neboli aditivní technologie výroby, za poslední roky však značně pokročila a zažité stereotypy již nemusí platit. V tomto projektu jsem si kladl za cíl vytipovat silné stránky 3D tisku a následně tyto poznatky aplikovat na konkrétní design výrobku. 4

Přehled technologií vhodných pro 3D tisk finálních produktů Fusion depository modeling FDM Principem je tavení stavebního materiálu za pomocí kovové trysky a topného tělíska a následné nanášení jednotlivých vrstev (řezů objektem) na sebe. Materiál je zpravidla ve formě struny, nejčastěji z ABS, PLA, PET či Nylonu. Při tisku objektů s převisy, se vytváří pod objektem podpůrná struktura, která se posléze odstraní. Kvalitní tiskárny staví podpory z vodou vymývatelného materiálu. Levnější technologie zpravidla staví podpory z modelovacího materiálu a je nutné je ručně odlámat. FDM technologie patří mezi velmi dostupné formy 3D tisku. Náplně (filamenty) jsou poměrně levné a pořizovací ceny poloprofesionálních tiskáren jsou v řádech desítek tisíc korun. Nevýhodou může být malé rozlišení tloušťky vrstev ( zpravidla 250-50 mikronů). Vytištěné objekty mají často vrstevnicový povrch. Selective laser sintering SLS Principem je spékaní práškového materiálu ve stavební komoře za pomocí pozicovaného laserového paprsku. Na stavební plochu je nanesena tenká vrstva prášku ( zpravidla 100-60 mikronů tlustá) a v ní je laserem vytvrzen řez. Celá komora se posléze sníží o tloušťku vrstvy a je nanesena další vrstva materiálu. Při tomto procesu není nutné vytváření podpůrných struktur, jelikož výtisk volně leží v okolním prášku. Nejčastěji používaným materiálem je polyamid, nylon a nebo kovové materiál jako hliník a titan. Tento typ tiskáren patří mezi nejdražší technologie. Povrch výtisků je uniformní a má lehce pórovitou strukturu. Stereolitografie SLA Principem je vytvrzování řezů objektu v lázni s foto polymerem. K vytvrzení se používá světelný paprsek nebo UV záření. Objekt se tiskne na desku, která se v počátku tisku dotýká hladiny polymeru. Na ní je vytvrzena první vrstva a poté se deska zvedne o tloušťku vrstvy nahoru. Podpůrný materiál je zde nutno tedy budovat směrem nahoru a je vždy vytvořen ze stejného materiálu jako tištěný objekt. Tato technologie dosahuje velmi vysoké přesnosti, při značně tenké tloušťce vrstvy (okolo 10 mikronů ). Kromě foto polymerů existují i další zajímavé materiály pro tyto tiskárny, jako například digital stone od firmy DWS. Nevýhoda SLA technologie je především v nutnosti tisku s podporami, které se posléze musejí odbrušovat. 5

3D skenovací technika Přehled dostupné skenovací techniky pro vytváření 3D modelů z reálných objektů. 3D skenery využívající strukturované světlo Pořizovací cena těchto skenerů začíná na cca 50 tisících korunách, ale je možné si kvalitní skener sestavit z běžně dostupných komponent. Na obrázku je vidět náhled skenování s David scanem. Sestává se ze silného projektoru a kamery. Projektor promítá černobílou mřížku na objekt a kamera následně snímá její deformaci. Vzdálenost ohniska projektoru a kamery musí být přesně známá a neměnná. Proto je projektor spolu s kamerou připevněn na pevný ocelový rám. Tím, že známe pozici kamery i projektoru, můžeme za pomoci triangulace spočítat pozici bodu na mřížce. Existují i ruční varianty těchto skenerů, které zajišťují větší mobilitu při skenování. Jejich cena se ale pohybuje v řádech stovek tisíců korun. Fotogrametrie Je velmi rozšířená metoda získávání 3D modelů za pomoci série fotografií daného objektu. Opět se zde využívá triangulace bodů, ke které se používají výrazné body ve fotografii. V závislosti na kvalitě fotografií je možné dosáhnout velmi vysokého detailu. Nevýhodou je absence měřítka výstupní geometrie. Je tedy nutné mít na skenovaném objektu nějaký referenční rozměr, který můžeme posléze snadno odečíst. V současnosti poskytuje firma Autodesk službu 123D Catch, která umožňuje zdarma vytvářet 3d modely z fotek. K výpočtu je používán cloud server. Existují i open source programy, jako například VisualSFM. Mezi nejkvalitnější komerční software patří Agisoft photo scan. Díky své nenáročnosti a jednoduchosti je fotogrametrie často používána v kreativním procesu pro rychlé získání dat. Dle mého názoru se s ní budeme v oblasti designu setkávat stále častěji. Existují i další metody 3D skenování, jako například skenování laserovým paprskem, pulzním laserem a nebo za použití CT scanu. Pro reálné použití v designu se ovšem moc nehodí a nebo jsou příliš nákladné. 6

Normals 3D tištěné sluchátka V době mé rešerše existovala pouze jediná společnost vyrábějící 3D tištěná sluchátka pro poslech hudby a to americká společnost Normals. Používají pře připravené tělo sluchátek, ke kterému se vytiskne pouze jeden ergonomicky tvarovaný prvek. Tento nástavec zajišťuje pohodlné, ale pevné usazení sluchátka v uchu. Je tvarován podle skenu ucha vytvořeného fotogrametrií, z fotek které zašle zákazník. Tištěný je na FDM stroji Fortus 250mc z ABS plastu a následně je pogumován. Firma má vlastní telefonní aplikaci, přes kterou je možné si naskenovat ucho, vybrat barvu sluchátek a posléze je i objednat. Tento interaktivní prvek dodává celému konceptu na atraktivitě. 7

8

Ownphones Další značkou v tomto sektoru je společnost Ownphones. Nabízejí kompletně 3D tištěná sluchátka, s možností výběru barvy a nebo vlastního tvaru vnějšího krytu. Zatím není známo, jakou technologií hodlá firma sluchátka tisknout. Celý projekt prošel první fází na kickstarter komunitě a sluchátka se reálně ještě nevyrábějí. 9

10

Testování fotogrametrie Jako první skenovací metodu jsem zvolil fotogrametrii, za použití klasického fotoaparátu. K dispozici jsem měl přesný silikonový odlitek ucha Gabriely Bajdichové, které tímto děkuji za zapůjčení. K výpočtu sítě jsem použil engine 123D Catch. Výsledná geometrie vyšla velmi hezky, ale vnitřní prostory ucha nebyly moc detailní. Jako další problém se jevilo přesné zvětšení geometrie v měřítku. Jako referenční bod jsem měl průměr desetikoruny, ale její hrany byly ve skenu značně neurčité a tak při přeměřování mohla snadno vzniknout chyba. 11

Testování ručního skeneru Artec V pražském centru 3D tisku mi bylo umožněno vyzkoušet profesionální ruční skener Artec Spider. Skener používá černobílé strukturované světlo a nejčastěji se používá pro přesné skenování součástek. Oslovil jsem pražské centrum 3D tisku 3Dees 12

Artec Spider 3D rozlišení/3d resolution 3D přesnost/3d accuracy Přesnost po trase Accuracy over distance Technologie Technology Výstupní data/output format 0.1 mm 0.05 mm 0.03% over 100cm strukturované světlo structured light.obj.stl 13

Práce s naskenovanými daty Pořízené skeny byly velmi kvalitní. Dalším krokem byla extrakce a implementace naskenované geometrie, do návrhu sluchátek. Jako hlavní vizuální identitu sluchátek jsem si zvolil lomené trojúhelníkové plochy. Jelikož výsledná geometrie ze skenování má vždy tvar členité trojúhelníkové sítě. Po vytvoření čelní plochy sluchátek se kontura této plochy promítla na sken a ořízla. Vzniklá síť vytvořila spodní stranu sluchátek, přesně vytvarovanou podle ucha. Po spojení obou dílů sítě byla geometrie připravena k vytvoření konstrukčních prvků pro umístění audio driveru. Sluchátka jsou rozdělena na dva díly, z důvodu snazší instalace elektroniky. Po vytištění prvního prototypu jsem síť dosedající na ucho odsadil o 0.8 mm, a to z důvodu lepšího dosednutí a držení v uchu. 14

Finální návrh Boční úchyt okolo ucha použitý v prvním návrhu se ukázal jako zbytečný a proto jsem jej vypustil. Došlo k zjednodušení vzhledu pohledové části a její zesílení. 15

3D tisk Zortrax 3D printer Tloušťka vrstvy/layer thickness Max tisková plocha/print area Přesnost/precision Průměr trysky/nozzle diameter 0.09 mm 200x200x185 mm 1.5 micron 0.4 mm Materiál/material ABS Bod tavení/melt point 240 C Pevnost v tahu/tensile strenght 42 MPa 16

17

18

19

20

21

22

Povrchová úprava Výtisky mají na sobě stále patrné vrstvení a to i při relativně tenké vrstvě 90 mikronů. Jedním ze způsobů, jak je možné jejich povrch vyhladit, je pomocí acetonové páry. Aceton naleptává ABS plast a rozpouští svrchní vrstvu na povrchu výtisku. Jelikož se aceton odpařuje sám již při pokojové teplotě, stačí výtisky umístit do uzavřené nádobky po dobu cca 2h. 23

Povrch sluchátek je pokryt vrstvou silikonu. Jeho účel je především v zajištění lepšího tření a tedy případnému zabránění vyklouzávání sluchátka. Jedná se o dvousložkový silikon Ecoflex. Jeho struktura je na dotek lehce drsná a mírně lepkavá, po vytvrzení dosahuje tvrdosti 40shore. Nanášen je na sluchátka za stálého otáčení, aby došlo k rovnoměrnému rozložení. 24

Instalace audio driveru Sonion Vytištěný obal z biodegradabilního PLA 25

Data Sheet Tentative 26 E25WT02/9 Description IEM sub assembly based on a 26AA007/9W and E25TAA002/D suited for small 2 way designs or midrange/tweeter in 3 way configurations. Features Plug and play 2 way module utilizing joiner concept Tuned vent woofer for improved low frequency performance E25T super tweeter with extended high frequency AcuPass acoustic low pass filtering on the woofer High pass filter on tweeter by 100 nf capacitor High output and broad bandwith in a small enclosure Increased resistance provides flat LF response friven from voltage source Mechanical data Weight 0.27 gr. Case Material Ni80Fe15Mo5 Solder pad content Sn96.5Ag3.0Cu0.5 Dimensions Refer to outline drawing Product drawing Dimensions in mm (inch) Sonion reserves the right to make changes at any time to improve reliability, function or design, in order to provide the best product possible. Receivers series of this type can produce very high sound pressure levels. When such receivers are applied in hearing instruments or other communications equipment special attention should be paid to this capacity in order to prevent possible hearing damage. DK: +45 4630 6666 USA: +1 952 543 8300 PRC: +86 512 6832 3401 NL: +31 20 6068 100 Item Configuration number: 3348 3107331 Version: 0.2 Version date: 17 SEP 2014 Page 1 of 4 26

Data Sheet Tentative 26 E25WT02/9 Specifications The acoustic termination consists of : 4.5 x 1.4 mm ID + 11 x 1.9 mmid into IEC 711 coupler. Drive is voltagedrive of 0.100 V rms unless specified otherwise. A 100 nf cap is used as cross over filter. Environmental conditions: 23 C (73.4F), 50 % RH. Acoustic parameters Min Typ Max Unit Comments Sensitivity @ 30 Hz 103 105.5 108 db @ 100 Hz 103 105.5 108 db @ 500 Hz 99 101.5 104 db @ 1000 Hz 97.5 100.5 103.5 db Peak 1 frequency 2400 2600 2800 Hz output 107 110 113 db Valley 1 frequency 3450 3700 3950 Hz output 102 105 108 db Peak 2 frequency 4750 5000 5250 Hz output 110 113 116 db Valley 2 frequency 7700 8200 8700 Hz Peak 3 output frequency 84.5 10000 87.5 10800 90.5 11600 db Hz output 93 99 105 db THD @ 1/3 peak 5 % @ 1/2 peak 5 % Rated power 10 mva Maximum output @ peak frequency 138 db 50 mva input Electric parameters Min Typ Max Unit 26AA007/9W Impedance @ 1000 Hz 52 65 78 Ohm Impedance @ 500 Hz 40 50 60 Ohm DC resistance @ 20 C 34 40 46 Ohm E25TAA002/DImpedance @ 1000 Hz 19 24 29 Ohm Impedance @ 500 Hz 16 20 24 Ohm DC resistance @ 20 C 16 19 22 Ohm Comments Additional parameters Shock resistance Storage temperature range Min Typ Max Unit 12000 g 40 63 C Comments 90% survival rate with THD @ 1/2 peak freq. < 10% A positive voltage applied to the negative terminal ( ) will result in an increase in pressure at the sound outlet. Sonion reserves the right to make changes at any time to improve reliability, function or design, in order to provide the best product possible. Receivers series of this type can produce very high sound pressure levels. When such receivers are applied in hearing instruments or other communications equipment special attention should be paid to this capacity in order to prevent possible hearing damage. DK: +45 4630 6666 USA: +1 952 543 8300 PRC: +86 512 6832 3401 NL: +31 20 6068 100 Item Configuration number: 3348 3107331 Version: 0.2 Version date: 17 SEP 2014 Page 2 of 4 27

Data Sheet Tentative 26 E25WT02/9 Typical response curve THD vs Frequency, typical, nominal input Sonion reserves the right to make changes at any time to improve reliability, function or design, in order to provide the best product possible. Receivers series of this type can produce very high sound pressure levels. When such receivers are applied in hearing instruments or other communications equipment special attention should be paid to this capacity in order to prevent possible hearing damage. DK: +45 4630 6666 USA: +1 952 543 8300 PRC: +86 512 6832 3401 NL: +31 20 6068 100 Item Configuration number: 3348 3107331 Version: 0.2 Version date: 17 SEP 2014 Page 3 of 4 28

Data Sheet Tentative 26 E25WT02/9 Typical response combined Sonion reserves the right to make changes at any time to improve reliability, function or design, in order to provide the best product possible.receivers series of this type can produce very high sound pressure levels. When such receivers are applied in hearing instruments or other communications equipment special attention should be paid to this capacity in order to prevent possible hearing damage. DK: +45 4630 6666 USA: +1 952 543 8300 PRC: +86 512 6832 3401 NL: +31 20 6068 100 Item Configuration number: 3348 3107331 Version: 0.2 Version date: 17 SEP 2014 Page 4 of 4 29

zámky otvor pro audio driver vedení kabelu 29 30

Zdroje Str 4 - http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f0/printing_with_a_3d_printer_at_makers_party_bangalore_2013_11.jpg http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/26/viuscan_handheld_3d_scanner_in_use.jpg Str 5 - http://de.academic.ru/pictures/dewiki/85/us_navy_030821-n-9593r-044_the_medmodeler_lays_down_a_brown_supportive_base.jpg http://raykurland.files.wordpress.com/2012/03/eos_laser-sinter-prozess-dental-5.jpg http://www.makepartsfast.com/wp-content/uploads/2015/05/1-sl.jpg Str 6 - http://www.strob.net/david3dscanner/ib_scan002.jpg http://www.ten24.info/ten24/wp-content/uploads/2013/06/full-body-scanner_001.jpg Str 7 - http://3dprint.com/wp-content/uploads/2014/07/normal5.jpg Str 8 - http://www.printing3dtoday.com/sites/default/files/images/normal-earbud.jpg http://media.bestofmicro.com/k/t/443981/original/normalsearssized.png http://omars.files.wordpress.com/2014/08/20140726_213300577_ios.jpg http://3dprint.com/wp-content/uploads/2014/07/normal-kaufman.jpg Str 9 - http://audioxpress.com/assets/upload/images/ownphonesearbudsschemeweb.jpg http://ladytech.ru/wp-content/uploads/2014/07/ownphones-3d-wireless-earbuds-4.jpg https://s.yimg.com/cd/resizer/fit_to_width-w500/42837649fd32c77352d2eff4b9e4ec9b8efdc97f.png Str10-https://static-ssl.businessinsider.com/image/53c76739ecad048975f996b7-1200-924/ownphones-gold-flowerjpg.jpg http://www.technologytell.com/gaming/files/2014/06/dsc_30891.jpg http://static1.businessinsider.com/image/53c7667769bedd0d54f996bb-1200-924/athlete-ownphonesjpg.jpg http://photos.prnewswire.com/prnfull/20140717/128004 31