如何設(shè)計(jì)更加耐用的3D打印零部件(二)
在上一篇《如何設(shè)計(jì)更加耐用的3D打印零部件(一)》中,我們介紹了幾種簡(jiǎn)單有效的方法來預(yù)測(cè)并提升零件的承載能力。想必大家都覺得很實(shí)用,但我們通常仍會(huì)忽略機(jī)械零件在變形后可能引發(fā)的結(jié)構(gòu)性問題。畢竟任何會(huì)隨機(jī)變形的結(jié)構(gòu),并不會(huì)比碎片好多少。
我們延續(xù)之前的部分,一次說個(gè)清楚吧。
堅(jiān)硬度
任何材質(zhì)受力后,不免都會(huì)彎曲。為了厘清彎曲的原因,不妨回想上一篇的模型,也就是那個(gè)簡(jiǎn)陋的橫木。
橫木一側(cè)受力后的彎曲情形
橫木受力后的彎曲度(d),計(jì)算公式如下:
d = Fbend* L3 / ( 3 * E * Ix )
我們看這個(gè)公式就會(huì)明白箇中原理。首先,彎曲系數(shù)(E)是給定的常數(shù),每一種材質(zhì)都有各自的彎曲系數(shù),表示承力和變形的關(guān)系,在產(chǎn)品規(guī)格表中都會(huì)列出來。此外,彎曲度似乎跟施力(F)呈線性比例關(guān)系,也跟橫木長(zhǎng)度(L)成正比,這些都在意料之中。
真正有趣的是,彎曲度跟截面矩(Ix)成反比,換言之,其他參數(shù)保持恒定之下,截面矩直接決定零件的堅(jiān)硬度。我們?cè)谏弦黄恼绿徇^,截面矩是橫木橫剖面的物質(zhì)分布情況。
當(dāng)然,這個(gè)公式并無法透露太多玄機(jī),我們?cè)倩氐缴弦黄慕孛婢毓剑?/span>
Ix = w * h3 / 12
原來如此!矩形橫木的堅(jiān)硬度不僅跟寬度(w)成正比,也跟厚度(h)成正比。這個(gè)公式僅適用于矩形橫剖面,但其他類似形狀也有這樣的特性。
雖然數(shù)學(xué)計(jì)算有點(diǎn)枯燥,但試著回想上一篇介紹的實(shí)驗(yàn),我們把零件的承載能力提升為三倍,以下是一些解決方式對(duì)截面矩的影響:
1. 把寬度增加三倍。既然寬度(w)以線性的方式左右整個(gè)方程式,寬度增加三倍,堅(jiān)硬度也會(huì)提升三倍,這應(yīng)該沒什么好意外的。
2. 第二個(gè)方式是把厚度(h)從1mm增為1.73mm,截面矩因此增加1.733 / 13 ≈ 5.18倍,換言之,只要調(diào)整一點(diǎn)點(diǎn)厚度,不僅變得更堅(jiān)固,堅(jiān)硬度還提升了五倍,很有趣吧?
3. 第三個(gè)方式是打造工字梁,我之前說過工字梁的截面矩難以計(jì)算,但利用CAD軟件或在線計(jì)算器即可得出Ix數(shù)值變化,馬上就能確認(rèn)截面矩從原本~0.417 mm⁴ 變成~3.246 mm⁴,幾乎快增加了八倍。這是驚人的成長(zhǎng),比我們?cè)绢A(yù)計(jì)的承載能力好太多了。
稍微調(diào)整零件的形狀,一來可降低其重量,二來提升承載能力,就算是丙烯腈(ABS)和聚醚醚酮(PEEK)等高階材料,也不一定能夠達(dá)到這個(gè)境界,事實(shí)上,就連鋁材也沒有這種能耐。
這就是所謂工業(yè)設(shè)計(jì)技法:無須航天級(jí)材質(zhì),只要簡(jiǎn)單的招數(shù),即可讓塑膠零件兼具耐用、堅(jiān)固、輕量和小巧等優(yōu)點(diǎn)。
棘手的大問題:耐沖擊強(qiáng)度
原則上,從抗彎曲強(qiáng)度、抗張強(qiáng)度和抗壓縮強(qiáng)度,大致可以看出特定材質(zhì)的性能,但現(xiàn)實(shí)總是跟理想有差距,如果你具有冒險(xiǎn)精神,不妨拿著聚丙烯纖維制成的保鮮盒跑到家門口,把保鮮盒直接砸向水泥墻:它會(huì)彈回來。現(xiàn)在試試看有機(jī)玻璃材質(zhì)的保鮮盒,它只會(huì)碎成一片片。這聽起來沒什么道理:有機(jī)玻璃的抗彎曲強(qiáng)度明明是聚丙烯纖維的兩倍!這顯然事有蹊蹺。
原來是聚合物承受突如其來的局部沖擊時(shí),難免無法實(shí)時(shí)分散那一股能量,這有點(diǎn)像水和淀粉的經(jīng)典實(shí)驗(yàn),一不小心發(fā)生碰撞就毀了。為了計(jì)算塑膠能應(yīng)付多少撞擊,工程師設(shè)計(jì)一種相對(duì)簡(jiǎn)略的方法,稱為「耐沖擊強(qiáng)度測(cè)試」,專門測(cè)量材料遭到擺錘撞擊時(shí)會(huì)喪失多少能量,不過這個(gè)數(shù)值跟抗彎曲強(qiáng)度并沒有一定的關(guān)系,卻是比較各種物質(zhì)堅(jiān)硬度的權(quán)宜之計(jì)。
有缺口的塑膠正在進(jìn)行沖擊測(cè)試我們等一下會(huì)再探討各種物質(zhì)的測(cè)試結(jié)果,現(xiàn)在先來關(guān)注一個(gè)小細(xì)節(jié):測(cè)試樣本的缺口。缺口的位置具有特殊意義,必須是張力最大的地方,否則幾乎所有材料都能夠通過測(cè)試而沒有測(cè)試的必要了。
這提醒我們一個(gè)設(shè)計(jì)小訣竅:工業(yè)設(shè)計(jì)師都會(huì)盡量避免明顯的彎角和缺口,讓物件能承受突來或持續(xù)的壓力。有一個(gè)常見的解決方法是加上內(nèi)圓角或轂板來分散壓力。
內(nèi)圓角和轂板可分散局部壓力
內(nèi)圓角和轂板成本并不高,因此不管如何都會(huì)添加,否則光憑我們目前的算式,根本無法評(píng)估必要性,反之還要?jiǎng)佑闷D澀的有限元素分析工具,所以最好養(yǎng)成添加這些舒壓物件的習(xí)慣。
內(nèi)圓角和轂板可加強(qiáng)外殼的耐沖擊強(qiáng)度
既然如此,材質(zhì)到底重不重要?
材質(zhì)當(dāng)然重要!不過想要提升承載能力,與其改用高階原型材料,還不如實(shí)行這里所介紹的設(shè)計(jì)技巧,但若有先天不良的問題,例如基座不符合你的需要,那你就必須更常游走在臨界邊緣。
讓我們來看看幾種常見原型塑膠的屬性,以及它們?cè)谏钪械挠猛尽?/span>
這個(gè)表格并不是絕對(duì)正確的,畢竟相同的聚合物也分成不同的等級(jí),最終屬性也會(huì)隨著填充物、塑化劑等結(jié)構(gòu)內(nèi)部物質(zhì)而改變,但這些數(shù)字至少讓你對(duì)于承載能力有個(gè)基本概念。
有趣的是,這些資料也透露出DIY專題材料的幾個(gè)侷限,例如熱熔擠制技術(shù)(FDM)常用的聚乳酸(PLA)本身就容易損壞,于是3D打印材料制造商會(huì)添加塑化劑或共聚物來提升沖擊抗力,卻可能大幅降低抗彎曲強(qiáng)度和堅(jiān)硬度。
低成本FDM制程經(jīng)常使用聚乳酸(PLA)和ABS樹脂,其所標(biāo)榜的平均強(qiáng)度通常也會(huì)因?yàn)樯蚍e過程而減弱:不管是黏合層、纖維絲厚度、沈積瑕疵,皆可能嚴(yán)重?fù)p害最終原型的表現(xiàn)。
CNC業(yè)余玩家常用的材料也不一定比較好,高密度聚乙烯(HDPE)所制成的零件很輕薄,優(yōu)點(diǎn)是彈性佳,缺點(diǎn)是不適合精密機(jī)械工程。另一種常見材料是有機(jī)玻璃,從各方面來看都是不凡的塑料,沖擊抗力卻低到不行,就連在加工過程中也存在應(yīng)力開裂之虞。
總體來說,3D打印機(jī)和CNC業(yè)余玩家經(jīng)常挑選低廉而常見的材料,因?yàn)槠渌玫倪x擇要不是難以取得,就是難以處理,這也是我大推CAD樹脂鑄制的原因,這讓業(yè)余玩家能盡量趨近于現(xiàn)今工程塑膠的境界。
既然這樣……該怎么比較鑄制樹脂?
答案很簡(jiǎn)單:看情況。下列表格介紹一些熱門的聚氨酯(polyurethane) 鑄制樹脂,外加兩個(gè)有代表性的產(chǎn)品,以聚脂(polyester)和環(huán)氧(epoxy)樹脂制成。
本質(zhì)上,鎖定DIY玩家的鑄制樹脂,大多容易損壞或抗彎曲強(qiáng)度不足,但也不是沒有優(yōu)點(diǎn),畢竟這類樹脂通常容易處理,況且從藝術(shù)創(chuàng)作方面來說,機(jī)械屬性并沒有那么重要。
市面上部分聚氨酯(polyurethanes)比尼龍等工程塑膠更好用,甚至逐步趕上超級(jí)聚(醚/醚/酮) (PEEK)。最重要的是,使用者不費(fèi)吹灰之力,就能大幅調(diào)整鑄制樹脂的表現(xiàn):例如添加磨碎的玻璃纖維,可提升抗彎曲強(qiáng)度、加倍彎曲系數(shù),但可能有損沖擊抗力。
結(jié)論
設(shè)計(jì)零件不能單憑直覺,就連最簡(jiǎn)單的專題也需要大量的知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。這也難怪DIY日常用品難敵工廠商品,不但不容易做起來,也沒有想象中省錢。 高階機(jī)械工程和材料科學(xué)可能嚇跑不少人,但就算沒有PRN計(jì)算器和計(jì)算尺,還是有不少單純和直覺的構(gòu)想能成功實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然,跟制造業(yè)取經(jīng),學(xué)會(huì)這些工業(yè)設(shè)計(jì)技巧,而不是把制造業(yè)當(dāng)作夕陽(yáng)產(chǎn)業(yè),對(duì)我們是有所助益的。
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