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在上一篇《如何设计更加耐用的3D打印零部件(1)》中,我们介绍了几种简单有效的方法来预测并提升零件的承载能力。想必大家都觉得很实用,但我们通常仍会忽略机械零件在变形后可能引发的结构性问题。毕竟任何会随机变形的结构,并不会比碎片好多少。
坚硬度
任何材质受力后,不免都会弯曲。为了厘清弯曲的原因,不妨回想上一篇的模型,也就是那个简陋的横木。
横木一侧受力后的弯曲情形
横木受力后的弯曲度(d),计算公式如下:
d = Fbend* L3 / ( 3 * E * Ix )
我们看这个公式就会明白箇中原理。首先,弯曲系数(E)是给定的常数,每一种材质都有各自的弯曲系数,表示承力和变形的关系,在产品规格表中都会列出来。此外,弯曲度似乎跟施力(F)呈线性比例关系,也跟横木长度(L)成正比,这些都在意料之中。
真正有趣的是,弯曲度跟截面矩(Ix)成反比,换言之,其他参数保持恒定之下,截面矩直接决定零件的坚硬度。我们在上一篇文章提过,截面矩是横木横剖面的物质分布情况。
当然,这个公式并无法透露太多玄机,我们再回到上一篇的截面矩公式:
Ix = w * h3 / 12
原来如此!矩形横木的坚硬度不仅跟宽度(w)成正比,也跟厚度(h)成正比。这个公式仅适用于矩形横剖面,但其他类似形状也有这样的特性。
虽然数学计算有点枯燥,但试着回想上一篇介绍的实验,我们把零件的承载能力提升为三倍,以下是一些解决方式对截面矩的影响:
1. 把宽度增加三倍。既然宽度(w)以线性的方式左右整个方程式,宽度增加三倍,坚硬度也会提升三倍,这应该没什么好意外的。
2. 第二个方式是把厚度(h)从1mm增为1.73mm,截面矩因此增加1.733 / 13 ≈ 5.18倍,换言之,只要调整一点点厚度,不仅变得更坚固,坚硬度还提升了五倍,很有趣吧?
3. 第三个方式是打造工字梁,我之前说过工字梁的截面矩难以计算,但利用CAD软件或在线计算器即可得出Ix数值变化,马上就能确认截面矩从原本~0.417 mm? 变成~3.246 mm?,几乎快增加了八倍。这是惊人的成长,比我们原本预计的承载能力好太多了。
稍微调整零件的形状,一来可降低其重量,二来提升承载能力,就算是丙烯腈(ABS)和聚醚醚酮(PEEK)等高阶材料,也不一定能够达到这个境界,事实上,就连铝材也没有这种能耐。
这就是所谓工业设计技法:无须航天级材质,只要简单的招数,即可让塑胶零件兼具耐用、坚固、轻量和小巧等优点。
棘手的大问题:耐冲击强度
原则上,从抗弯曲强度、抗张强度和抗压缩强度,大致可以看出特定材质的性能,但现实总是跟理想有差距,如果你具有冒险精神,不妨拿着聚丙烯纤维制成的保鲜盒跑到家门口,把保鲜盒直接砸向水泥墙:它会弹回来。现在试试看有机玻璃材质的保鲜盒,它只会碎成一片片。这听起来没什么道理:有机玻璃的抗弯曲强度明明是聚丙烯纤维的两倍!这显然事有蹊跷。
原来是聚合物承受突如其来的局部冲击时,难免无法实时分散那一股能量,这有点像水和淀粉的经典实验,一不小心发生碰撞就毁了。为了计算塑胶能应付多少撞击,工程师设计一种相对简略的方法,称为「耐冲击强度测试」,专门测量材料遭到摆锤撞击时会丧失多少能量,不过这个数值跟抗弯曲强度并没有一定的关系,却是比较各种物质坚硬度的权宜之计。
有缺口的塑胶正在进行冲击测试
我们等一下会再探讨各种物质的测试结果,现在先来关注一个小细节:测试样本的缺口。缺口的位置具有特殊意义,必须是张力最大的地方,否则几乎所有材料都能够通过测试而没有测试的必要了。
这提醒我们一个设计小诀窍:工业设计师都会尽量避免明显的弯角和缺口,让物件能承受突来或持续的压力。有一个常见的解决方法是加上内圆角或毂板来分散压力。
内圆角和毂板可分散局部压力
内圆角和毂板成本并不高,因此不管如何都会添加,否则光凭我们目前的算式,根本无法评估必要性,反之还要动用艰涩的有限元素分析工具,所以最好养成添加这些舒压物件的习惯。
内圆角和毂板可加强外壳的耐冲击强度
既然如此,材质到底重不重要?
材质当然重要!不过想要提升承载能力,与其改用高阶原型材料,还不如实行这里所介绍的设计技巧,但若有先天不良的问题,例如基座不符合你的需要,那你就必须更常游走在临界边缘。
让我们来看看几种常见原型塑胶的属性,以及它们在生活中的用途。
这个表格并不是绝对正确的,毕竟相同的聚合物也分成不同的等级,最终属性也会随着填充物、塑化剂等结构内部物质而改变,但这些数字至少让你对于承载能力有个基本概念。
有趣的是,这些资料也透露出DIY专题材料的几个侷限,例如热熔挤制技术(FDM)常用的聚乳酸(PLA)本身就容易损坏,于是3D打印材料制造商会添加塑化剂或共聚物来提升冲击抗力,却可能大幅降低抗弯曲强度和坚硬度。
低成本FDM制程经常使用聚乳酸(PLA)和ABS树脂,其所标榜的平均强度通常也会因为沈积过程而减弱:不管是黏合层、纤维丝厚度、沈积瑕疵,皆可能严重损害最终原型的表现。
CNC业余玩家常用的材料也不一定比较好,高密度聚乙烯(HDPE)所制成的零件很轻薄,优点是弹性佳,缺点是不适合精密机械工程。另一种常见材料是有机玻璃,从各方面来看都是不凡的塑料,冲击抗力却低到不行,就连在加工过程中也存在应力开裂之虞。
总体来说,3D打印机和CNC业余玩家经常挑选低廉而常见的材料,因为其他更好的选择要不是难以取得,就是难以处理,这也是我大推CAD树脂铸制的原因,这让业余玩家能尽量趋近于现今工程塑胶的境界。
既然这样……该怎么比较铸制树脂?
答案很简单:看情况。下列表格介绍一些热门的聚氨酯(polyurethane) 铸制树脂,外加两个有代表性的产品,以聚脂(polyester)和环氧(epoxy)树脂制成。
本质上,锁定DIY玩家的铸制树脂,大多容易损坏或抗弯曲强度不足,但也不是没有优点,毕竟这类树脂通常容易处理,况且从艺术创作方面来说,机械属性并没有那么重要。
市面上部分聚氨酯(polyurethanes)比尼龙等工程塑胶更好用,甚至逐步赶上超级聚(醚/醚/酮) (PEEK)。最重要的是,使用者不费吹灰之力,就能大幅调整铸制树脂的表现:例如添加磨碎的玻璃纤维,可提升抗弯曲强度、加倍弯曲系数,但可能有损冲击抗力。
结论
设计零件不能单凭直觉,就连最简单的专题也需要大量的知识和实践经验。这也难怪DIY日常用品难敌工厂商品,不但不容易做起来,也没有想象中省钱。
高阶机械工程和材料科学可能吓跑不少人,但就算没有PRN计算器和计算尺,还是有不少单纯和直觉的构想能成功实现。当然,跟制造业取经,学会这些工业设计技巧,而不是把制造业当作夕阳产业,对我们是有所助益的。来源:天工社 |
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