Бесконечный зеркальный многогранник

Автор Дарья Алексеева

FM7V819L17V87YD

Перед вами впечатляющий ансамбль цвета, оптики и геометрии, способный загипнотизировать любого. Это оптическая иллюзия, обусловленная множеством зеркал и воплощённая в причудливой форме додекаэдра (двенадцатигранник). Несмотря на фантастический вид, она достаточно проста для самостоятельной сборки. Поэтому сегодня мы делимся с вами инструкцией этого сногсшибательного проекта на Arduino и светодиодах.

Необходимые материалы:

– Пластик для 3D-принтера (1 кг PETG, 1 кг PLA);

– Светодиодная лента 5 м, 144 светодиода/м, WS2812B;

– Блок питания 5В 30А 150 Вт;

– Одножильные провода 20WAG, красный и чёрный (2 м);

– Многожильный медный провод 0,5мм (2 м);

– Одножильный медный провод 0,6 мм;

– Зеркальный акриловый лист 2 мм;

– Arduino Mega или Arduino Uno;

– Винты под шестигранник M3x8 (100 шт.);

– Термоусадочные трубки;

– Супер-клей;

– 3-контактный разъём;

– Оплётка для проводов 5 мм.

Шаг 1: 3D-печать

FOQOCGEL16FPH0L

Рис. 1 Элементы додекаэдра

Первым делом нужно изготовить элементы опорной конструкции, и 3D-печать – лучший способ достижения цели. Особенно при том, что все детали уже смоделированы и доступны для скачивания на нашем сайте (файлы в формате STL).   

Но не распечатывайте всё сразу. Сначала убедитесь, что модели совместимы с остальными элементами сборки. Если вы хотите использовать нестандартные светодиоды, то размеры рамки придётся изменить. Следите за тем, чтобы ширина светодиодной ленты была меньше, чем ширина стоек, а угол между двумя соседними гранями равнялся 116°.

В дальнейшем потребуется припаять ленты к раме, поэтому при печати используйте высокотемпературный пластик, такой как PETG. Его повышенная прочность послужит дополнительным бонусом, поскольку зеркала тяжёлые и нуждаются в хорошей опоре.

Цвет выбирайте на своё усмотрение, рама будет видна только внутри сборки. Для достижения визуального эффекта бесконечной глубины рекомендуется использовать чёрный.

Настройки каждого принтера индивидуальны и непредсказуемы, но общие рекомендации для печати есть:

– Высота слоя 0,2 мм;

– Периметры 3;

– Заполнение 15%;

– Без поддержек.

Для каркаса нужно напечатать 30 отдельных стоек (файл Strut). Три из них должны немного отличаться от остальных для создания входного угла (файл Strut Input).

Прочие детали, не являющиеся частью рамы, можно напечатать пластиком PLA, используя аналогичные настройки.

Шаг 2: Каркас

Для сборки вам потребуется сделать много маленьких штифтов из нити для 3D-принтера, длиной около 10 мм.

Сборку начните с тех самых трёх стоек входного угла. Вклейте по одному штифту в левое отверстие на одном конце каждой стойки (рис. 2).

FYFHRU0L16FPH2M min

Рис. 2 Штифты

При склеивании старайтесь сразу зафиксировать все три стойки в один угол, как на рисунке 3, иначе потом будет сложно закрепить остальные части.

FSC9Z6YL16FPH2G

Рис. 3 Углы между трёх граней

Соберите раму, добавляя к каждому образованному концу по две новых стойки до тех пор, пока конструкция не сложится в один большой додекаэдр. Не забывайте использовать штифты на склейках, это увеличивает прочность.

F2WFMMJL16FPH2V

Рис. 4 Полусобранный додекаэдр

Шаг 3: Светодиоды и провода

На этом сложном этапе главное сохранять спокойствие и не торопиться. Если что-то не получается, лучше отойти в сторону, подышать и вернуться к работе позже, чем рисковать, взрывая светодиоды. Полосы могут выйти из строя одним мощным хлопком при неосторожном обращении с проводкой. Сохраняйте разум холодным и следуйте рекомендациям.

Для удобства изготовьте картонный макет, на котором можно нарисовать схему подключения и разводки проводов. Это поможет не запутаться в процессе. Для тех, кто не знаком с процессом пайки, у нас есть обучающее видео

Вот основные правила успешной коммутации:

1) Каждая положительная клемма подключена к двум другим положительным клеммам в общем узле

2) Каждая отрицательная клемма соединена с каждой отрицательной клеммой.

3) Линия данных представляет собой одну единственную змейку, которая проходит по определенной схеме по всему додекаэдру. Нужно следовать направлению светодиодных лент (у большинства есть направляющие стрелки).

F449AC0L19APTHK

Рис. 5 Пример схемы подключения

В силу физических и математических законов, додекаэдры являются «неевклидовыми»: в их гранях нет ни одного пути, который не пересекался бы с другим. Учитывая это, нужно «возвращаться» несколько раз в цикле данных, чтобы охватить все грани фигуры. Рама имеет небольшие встроенные туннели, которые можно использовать для прокладки «обратной» линии данных под светодиодной лентой (рис. 6). Вы можете распознать эти переходы на рисунке схемы.

FD3MRYUL16FPIOA

Рис. 6

Используйте одножильный провод 20AWG для подачи питания. Разделите один его конец на три части и припаяйте к ним отрезки медной проволоки, закрыв термоусадочной трубкой. Полученные провода проденьте через входной угол конструкции, как на рисунке 7.

FFROICLL16FPH4N

Рис. 7

Каждая грань додекаэдра состоит из 30 полосок по 17 светодиодов.

Для начала приклейте первые 6 полосок, начиная от входного угла, по пятиугольнику и дальше, не забывая о направлении потока данных. 

Пользуясь правилами, упомянутыми выше, начните паять. Периодически тестируйте работоспособность соединения, подключая силовой кабель к Arduino (после каждых 3-4 полосок).

Вот еще несколько советов:

– Не держите паяльник слишком близко к светодиодам, так как это может им навредить;

– Старайтесь не перегревать припой, это может привести к повреждению ленты или 3D-печатных деталей;

– Если припой не прилипает, поцарапайте поверхность меди ножом.

Шаг 4: Питание и микроконтроллер

FGO6MAUL16FPI15

Рис. 8 Коробка с блоком питания и Arduino Mega

Пришло время позаботиться о питании и управлении системы. Для удобства лучше сделать коробку и компактно разместить в ней блок питания, Arduino и несколько кнопок управления светом. Вы можете легко сделать это, используя предоставленные ранее STL-файлы для 3D-печати. 

Прикрутите блок питания к основанию коробки с помощью винтов и шестигранного ключа. Перед подключением проводов убедитесь, что у них есть специальная входная заглушка. 

Добавьте 3-контактный разъем и проденьте провода сквозь отверстие в боковой стенке коробки. Подключите одножильные провода (фаза, земля и нейтраль) к соответствующим клеммам на блоке питания. 

Если ваши светодиоды работают от напряжения 5 В, то можете подключить Arduino непосредственно к источнику питания; если же вы используете ленту на 12 В, вам понадобится преобразователь, чтобы получить желаемое напряжение 5 В.

Добавьте в сборку дополнительные элементы управления, чтобы творить цветомузыку было удобно. Например, на рисунке 9 изображены кнопки, переключающие режимы узора и цвета, и потенциометры, регулирующие яркость, насыщенность и скорость. Широту интерфейса определяйте на своё усмотрение.

F9R8LR7L1DKY3EK

Рис. 9 Кнопки и потенциометры

Шаг 5: Программирование

Здесь всё просто: для программирования светодиодов скачивайте исходный код (Файл INO) и отправляйтесь прямиком в среду разработки Arduino IDE. 

Установите библиотеку FastLED и вперёд – экспериментировать!

F9AO9ZOL16FPJG6

Рис. 10 Так выглядит додекаэдр без зеркал

Шаг 6: Зеркала

Сборка уже радует глаз, но для эффекта оптической иллюзии ей не хватает зеркал. Приложим ещё немного усилий и добавим отражающие элементы.

Сначала нужно вырезать необходимые формы из акрилового стекла. Очень важно на этом этапе не снимать защитную пленку: акрил легко царапается, велика вероятность испортить поверхность. 

Распечатайте трафарет (там же, в STL-файлах), маркером нарисуйте 12 пятиугольников и вырежьте их с помощью лобзика. (рис. 11, 12 и 13).

FEJKICML16FPJFY

Рис. 11 3D-печатный трафарет

F3UTUI7L16FPJFZ

Рис. 12 Процесс резки акрила

FKVFIRRL16FPJG3

Рис. 13 Зеркала-пятиугольники

Наконец, установите зеркала в раму додекаэдра, тщательно протерев их перед этим. Следите, чтобы в помещении не было пыли.

Начинайте установку с вершины, где вход питания, потом переходите к трём соседним граням и дальше, пока не заполните все поверхности додекаэдра зеркалами. Обратите внимание, что отражающие стороны акрила должны быть обращены внутрь. 

В завершении поставьте додекаэдр на подставку и включите питание. Всё готово! Мерцающая бесконечность перед вами, смотрите и расслабляйтесь. 

FMVJ90FL17V881I

Может, вам уже доводилось мастерить что-то со светодиодами и оптическими фокусами? Делитесь своими проектами с нами, всегда рады наблюдать за творчеством единомышленников.

Вдохновения и успехов!

 

Ссылки