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�文章提過，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�的截面矩公式�?/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)�本預(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)。

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�活中的用途�?/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�更好的選擇要不是難以取得，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。

(責(zé)任編輯：admin)

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