Nordic Semiconductorの最新セルラーIoT開発キット「nRF9151-DK」と、Waveshareの「4.2インチ電子ペーパーモジュール」を上下に重ねて一体化する専用ポータブルケースをFreeCADで設計しました！
屋外でのフィールド実証やスマート交通サイネージとして持ち出せる頑丈さ、各ボタンやType-Cポートへのエルゴノミクスなアクセス性、そしてセルラー・GNSSアンテナ感度の確保を徹底追求。
さらに、3Dプリント製造時の一体成形支柱の折損リスクを根絶した「市販M3別体スペーサー方式」の採用や、PCBWayでのスケルトン（透明）レジン「UTR-8100」選定ノウハウまで、実用筐体設計の全プロセスを完全解説します。
【FreeCAD×3Dプリント】AIと設計したnRF9151×4.2"電子ペーパー専用ポータブルケース！一体支柱の折損を克服する市販スペーサー方式
Nordic Semiconductorの最新セルラーIoT開発キット「nRF9151-DK」と、Waveshareの「4.2インチ電子ペーパーモジュール」を上下に重ねて一体化する専用ポータブルケースをFreeCADで設計しました！
屋外でのフィールド実証やスマート交通サイネージとして持ち出せる頑丈さ、各ボタンやType-Cポートへのエルゴノミクスなアクセス性、そしてセルラー・GNSSアンテナ感度の確保を徹底追求。
さらに、3Dプリント製造時の一体成形支柱の折損リスクを根絶した「市販M3別体スペーサー方式」の採用や、PCBWayでのスケルトン（透明）レジン「UTR-8100」選定ノウハウまで、実用筐体設計の全プロセスを完全解説します。
プロジェクト・動画のリンク先
YouTubeでもFreeCAD上での3Dモデリング実演から、CAD回転チェック、別体スペーサー方式の改善、そしてPCBWay発注ノウハウまでノーカットで詳しく解説しています
本編解説動画
関連公式ドキュメント・製品ページ
nRF9151-DK 公式製品ドキュメント
Waveshare 4.2インチ E-Paper Module 公式Wiki
ポータブルケース設計の背景と主要要件
これまでブレッドボードやジャンパーワイヤーむき出しで開発を進めてきた「nRF9151 × 4.2インチ電子ペーパー」によるスマート交通サイネージ。
屋外でのGPS測位テストや停留所でのフィールド実証を重ねるにあたり、「カバンに入れて持ち運べる頑丈さ」と「手持ちで快適に操作できる一体型モバイル筐体」がどうしても必要になりました。
そこで、オープンソースの3D CADであるFreeCAD 0.21（Pythonスクリプト連携）を活用し、AIとともにパラメトリックな専用ケースを設計しました。
ケース設計における4大要件
* 上下2層スタック構造: 下段にnRF9151-DKメイン基板、上段に4.2インチ電子ペーパー基板を配置し、最小フットプリントで凝縮。
* 高いインターフェース操作性: 4つのモード切替ボタン（SW1〜SW4）、電源・リセットスイッチ、充電および通信用のType-Cポートへケースを開けずに直接アクセス可能であること。
* 内部配線スペースの確保（深型化：全高40mm）: 当初検討された全高24mmから、ジャンパー線やコネクタが無理なく収まるよう全高40mmへと深型化を決定。
* 電波感度の維持: LTEアンテナやGPS/みちびき用GNSSアンテナ周辺の金属シールドを避け、樹脂厚を最適化して安定したセルラー通信を確保。
エルゴノミクスと配線性を極めた筐体ディテール設計
実用端末としてストレスなく使えるよう、各部の開口部やリブ構造にはミリ単位のこだわりを盛り込みました。
押しボタン一括スロットと指に優しいR面取り
nRF9151-DKのオンボードボタン（SW1〜SW4）は密集して配置されています。
個別穴では指が届きにくく押し間違いの原因になるため、4つのボタンをまとめて押し込める大型の横長スロット開口をフロントサイドに配置しました。
さらに、頻繁にボタンを押し込んでも指先や爪を傷めないよう、開口部のエッジ全周にR面取り（フィレット加工）を施し、滑らかで心地よい操作感を実現しています。
同様に、電源スイッチ（SW6）とリセットスイッチ（SW5）も1つの開口スロットにまとめ、誤作動を防ぎつつ確実なスライド操作を可能にしました。
大型Type-CコネクタスロットとLED・ロゴ確認窓
給電・ファームウェア書き込み用のType-Cポートには、市販の肉厚なUSB-Cケーブルコネクタ（横15mm×縦7mm）でも干渉することなく奥までしっかり挿せる大型スロットを開口しました。
また、天面には電子ペーパーの表示窓だけでなく、nRF9151-DKのオンボードLED群とNordicロゴが外から直視できる「LED・ロゴ確認窓」を設置。
これにより、通信ステータスやモードインジケーター（LED1〜LED4）の点灯状態を瞬時に把握できます。
肉厚4.5mmブリッジリブ補強と背面5連ストラップホール
天面開口部と電子ペーパー窓の間は細長い梁（ブリッジ）になるため、強度が落ちやすいポイントです。
そこで、このブリッジ部の肉厚を4.5mmまで強化し、落下やカバン内での圧迫にも耐えうる強靭なリブ剛性を確保しました。
さらに背面側には、首掛けネックストラップやカラビナフックを通せる背面5連ストラップホール（紐かけ穴）を配置。屋外テスト時の落下防止や首下げ携行を可能にしています。
劇的改善！一体支柱バキバキ問題を解決する「市販M3別体スペーサー方式」
本ケース設計における最大の技術的ブレイクスルーが、上段の電子ペーパー基板を支持する構造の大改革です。
一体成形ロング支柱の罠（3Dプリント特有の積層割れと折損リスク）
初期の設計案では、ケース底面（Case_Bottom）から電子ペーパーの高さまで、長さ30.5mm・外径6mmの一体成形ロング支柱を4本立ち上げていました。
しかし、3Dプリント（特にFDM積層方式や一般的なレジン造形）において、縦に細長い支柱を一体成形すると以下の深刻な課題が生じます。
* Z方向の積層割れ: 積層境界の結合力が弱く、上からM3ネジをねじ込んだ際の締め付けトルクで支柱が根元からポキッと折損（バキバキ破損）する。
* 基板の着脱障害: ケース底面に4本の高いたてがみ支柱がそびえ立つため、下段のnRF9151-DK基板を滑り込ませたり、ジャンパーピンの抜き差しをする作業が極めて困難になる。
市販M3六角スペーサー方式への刷新
このトラブルを根本解決するため、ケース本体から一体型ロング支柱を完全に撤去しました。
代わりに、ケース底面にM3貫通穴（φ3.2mm）＋ ネジ頭逃げ座繰り（φ6.2mm、深さ1.2mm）を配置し、市販のM3六角スペーサー（別体部品）を底面からネジ止めして自立させる「別体スペーサー方式」へと大転換を果たしました。
固定構造と推奨部品の組み合わせ
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[ M3ネジ (上側: 首下4〜6mm) ]
│
┌──────────────────┴──────────────────┐ ← E-Paper ディスプレイ基板 (Z = 32.5mm)
│ 固定穴 (φ3.2) │
└──────────────────┬──────────────────┘
│
┌──────────────────┴──────────────────┐
│ │
│ 市販 M3 メスメス六角スペーサー │ ← 有効長: 30.0 mm (+ 0.5mm ワッシャー)
│ (黄銅ニッケルメッキ または ナイロン)│ または 30.5 mm
│ │
└──────────────────┬──────────────────┘
═══════════════════╪═══════════════════ ← ケース底面 内床面 (Z = 2.0mm)
│ 貫通穴 (φ3.2mm) │
│ 底面座繰り (φ6.2mm, 深さ1.2mm) │ ← ケース底面 外側 (Z = 0.0mm)
└──────────────────┴──────────────────┘
│
[ M3皿/ナベネジ (下側: 首下6mm) ]
* スペーサー本体: M3メスメス（両雌）六角スペーサー（対辺5.0mmまたは5.5mm）。
* 必要な高さ: 30.5mm（市販の長さ30mmスペーサー ＋ 厚さ0.5mmのM3ワッシャー1枚で完璧に実現可能）。
* 固定ネジ: 底面側はM3ネジ（首下6mm、低頭またはナベ頭）、電子ペーパー上面側はM3ネジ（首下4〜6mm）。
この改良により、支柱の折損リスクは完全ゼロになり、真鍮や高強度ナイロンの剛性で電子ペーパーをガッチリ固定できるようになりました。
さらに、スペーサーを立てる前に下段のnRF9151-DKを広々とした空間で組み込めるため、組み立て効率も劇的に向上しました。
製造データ完備と検図用2D寸法図面（A4横）
PCBWayなどの受託製造サービスへ発注する際、寸法齟齬や造形ミスを防ぐための完全な製造データパッケージを整備しました。
出力・整備した製造ファイルパッケージ一覧
| ファイル名 | ファイル形式 | 主な用途・役割 |
|---|---|---|
| Case_Bottom.step | STEP (AP214) | ボトムケース3Dモデル（一体支柱撤去・M3座繰り付き貫通穴仕様） |
| Case_Top.step | STEP (AP214) | トップケース3Dモデル（厚肉4.5mmブリッジ・R面取り開口部） |
| Case_Assembly.step | STEP (AP214) | 上下ケース＋スペーサー＋基板の総合干渉チェック用アセンブリ |
| Case_Bottom.stl | STL (高精細) | ボトムケース 3Dプリント直接入稿用メッシュデータ |
| Case_Top.stl | STL (高精細) | トップケース 3Dプリント直接入稿用メッシュデータ |
| Case_Inspection_Drawing_A4.pdf | PDF (A4横) | 検図・製造検査用2D寸法図面（上面・正面・側面・3D等角投影） |
| 9151.FCStd | FreeCAD プロジェクト | マスターCADデータ（すべてのパラメトリック拘束と履歴を完全保持） |
2D寸法図面（Case_Inspection_Drawing_A4.pdf）には、外形寸法（縦145mm × 横79mm × 全高40mm）をはじめ、各開口スロットの位置関係や別体スペーサー固定用のφ3.2mmピッチ（96.5mm × 49.5mm）を明記し、工場側での検図・精度管理を完璧に行えるようにしています。
PCBWayでのスケルトン筐体製作ノウハウ（UTR-8100選定）
基板の配線や美しいオンボードLED、そして電子ペーパーのモダンな質感を活かすため、ケースを「クリア・スケルトン仕様」で製作するための素材選定も徹底調査しました。
UTR-8100 と UTR-8360 の決定的な違い
中国の大手基板・3Dプリント試作サービス「PCBWay」の光造形（SLA）レジンには複数の選択肢がありますが、特に間違えやすいのが「UTR-8100」と「UTR-8360」の違いです。
| 項目 | UTR-8100（推奨：透明スケルトン用） | UTR-8360（一般機能試作用） |
|---|---|---|
| 外観・透過性 | 無色透明 / 半透明（光を美しく通す） | 完全マットホワイト（完全な不透明白） |
| 内部の視認性 | 基板・配線・LEDがくっきり透けて見える | 内部は一切見えない |
| 機械的物性 | アクリル調で表面硬度が高く、クリアな美観 | ABSに近い粘り強さ（靭性）があり、嵌合試験向き |
| 推奨される仕上げ | Spray Varnish（クリアワニス塗装） | 標準サンドブラスト仕上げ、またはカラー塗装 |
「中身が透けて見える透明ケース」を作りたい場合、UTR-8360を選んでしまうと真っ白な不透明樹脂になってしまうため、必ず「UTR-8100」を選択する必要があります。
さらに、注文時の表面仕上げオプションで「Spray Varnish（クリアワニス塗装）」を指定することで、光造形特有の積層モヤが消え、アクリル板のように極めて高い透明度を持つ美しいスケルトン筐体に仕上がります！
まとめ
FreeCADとAIのコラボレーションにより、実用性・堅牢性・美観のすべてを兼ね備えたポータブルケースが完成しました。
* 上下2層スタック＆全高40mm: nRF9151-DKと4.2インチ電子ペーパーを最小フットプリントで高密度パッキング。
* エルゴノミクス開口: SW1〜SW4の大型スロット、指を傷めないR面取り、大型Type-C開口、LED・ロゴ確認窓。
* 別体スペーサー方式の勝利: 3Dプリント支柱の折損リスクを完全根絶し、市販M3スペーサー（30.5mm）による高剛性固定を達成。
* 製造データの完備: STEP、高精細STL、検図用A4図面（PDF/SVG）、FreeCADプロジェクトの全一式を整備。
* UTR-8100透明レジン: PCBWayのクリアニス仕上げ（Spray Varnish）により、基板が透けて光るサイバーパンクな外観を実現。
実際のFreeCAD上での3Dモデル回転チェックや寸法レイアウトの様子は、冒頭のYouTube動画でじっくり実演していますので、ぜひご覧ください！
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