最後的原型:製作耐用零件的簡單技巧,第2部分 - 💡 Fix My Ideas

最後的原型:製作耐用零件的簡單技巧,第2部分

最後的原型:製作耐用零件的簡單技巧,第2部分


作者: Ethan Holmes, 2019

低成本3D打印和CNC加工的進步使越來越多的業餘愛好者能夠在家中隱私地設計和製造複雜零件。唉,技術本身並不總是足夠的:用PLA製成的功能原型或用HDPE加工的功能原型經常被證明具有驚人的剛性和強度。

在Prototypes That Last的前一部分中,我們研究了幾種簡單,強大的方法來預測和改善您所製造的部件的負載限制。這非常有用,但我們很方便地忽略了這樣一個事實,即機械部件的彈性變形有時會在遇到任何結構故障之前就成為一個問題。畢竟,在負載下隨機彎曲的連桿可能不會比破碎成碎片的連桿更好。

讓我們選擇上週離開的地方,並一勞永逸地解決這個問題。

了解僵硬

可以想像,所有材料都在負載下偏轉;要弄清楚哪些因素在這個過程中發揮作用,它有助於回到我們在本文前面部分所依賴的簡單,理想化的模型。回想一下不起眼的懸臂梁:

懸臂梁,在其端部施加的點荷載作用下偏轉。

這個梁在其業務端附近經歷的偏轉(d)的實驗推導公式如下:

d = F.彎曲*L³/(3 * E * IX )

讓我們看看這個等式,以了解它是如何工作的。首先,我們有彎曲模量(E) - 一個固有的,材料特定的常數,描述經驗應力和由此產生的變形之間的關係;可以在產品數據表中輕鬆查找此值。除此之外,偏轉似乎與施加的力(F)成線性比例,並隨著部件長度(L)的立方增加。沒有任何關於這一點應該是特別意外的。

真正有趣的部分是偏轉減小到零件的面積慣性矩(IX) - 正如上周文章所討論的那樣,它是對梁橫截面內材料分佈的一種特殊測量。換句話說,在剩餘參數保持不變的情況下,慣性矩成為部件剛度的直接量度。

當然,僅憑這一說法並沒有告訴我們多少。那麼,讓我們挖掘之前介紹的I的公式X 在矩形梁中:

一世X = w *h³/ 12

A-HA!這告訴我們矩形樑的剛度將與其寬度(w)成線性比例,並且與其厚度(h)的立方成比例。雖然這個精確的公式僅適用於矩形橫截面,但同樣的一般關係通常也適用於其他簡單形狀。

數學可能看起來很平凡,但讓我們在實踐中通過重新審視我們上週工作的思想實驗來嘗試它。那時,我們試圖將特定機械部件的承載能力提高三倍。以下是每個原始解決方案對我的影響X:

  1. 所提出的方法中的第一個依賴於使零件的寬度增加三倍。由於該參數(w)以線性方式影響我們的新方程,因此該方法可預測地將剛度提高三倍。到目前為止,沒有驚喜。
  2. 上週的第二個方法相當於將樑的高度(h)從1改為1.73毫米。快速瀏覽一下這個等式表明這會增加我X 乘以係數1.73³/1³≈5.18。換句話說,零件厚度的適度變化使其不僅強度大,而且剛性強五倍。有意思吧?
  3. 最後的解決方案相當於構造一個大致方形的工字梁。如前所述,I的象徵性計算X 因為我的光束很雜亂,但我們可以使用CAD程序或將尺寸插入在線計算器以查看會發生什麼。通過這樣做,我們可以快速確認慣性矩從原來的5 x 1 mm橫截面的~0.417mm⁴變為I-beam的~3.246mm⁴ - 增加了近8倍。與我們最初瞄準的光束負載能力的明顯不太明顯的變化相比,這是一個非常驚人的凹凸。

最後,通過對零件幾何形狀進行微不足道但又有根據的改變,我們設法減輕了重量並顯著提高了承受彎曲的能力。僅僅從ABS切換到PEEK,我們甚至不會接近這樣的結果;事實上,鋁也很難跟上。

這就是工業設計中常見的方式:簡單的技巧,而不是太空時代的複合材料,使塑料小工具耐用,堅固,輕便,小巧。

房間裡的最後一頭大象:衝擊強度

原則上,給定材料的彎曲性能,可能與其拉伸和壓縮強度一起,應該描繪出它將如何表現的非常全面的圖像。但在實踐中,事情並不總是這樣。如果您喜歡冒險,請抓住一個由乳白色半透明塑料製成的食品儲存容器,稱為聚丙烯。走到你的房子前,試著把它撞到混凝土上:很可能,它會簡單地反彈回來。現在嘗試用丙烯酸玻璃製成的任何東西,只是為了看到它碎成碎片。這個結果沒有任何意義:丙烯酸玻璃的抗彎強度是聚丙烯的兩倍以上。顯然有點不對勁!

嗯,事實證明,當受到突然的局部衝擊時,一些聚合物根本無法足夠快地耗散能量 - 這種效果模糊地讓人聯想到水和澱粉的經典實驗,如果輕輕地處理,它會流動,但在擊中時會崩潰。為了量化塑料對這種類型的失效的脆弱性,工程師設計了一種相對粗糙的方法,稱為“缺口伊佐德衝擊試驗”。該程序測量錘狀擺的能量損失,因為它與放置在其路徑中的缺口材料樣品碰撞。由此產生的值不具有與彎曲模量或彎曲強度相關的普遍意義 - 但它為我們提供了一種方便的方法來比較我們關心的各種物質的韌性。

塑料的衝擊試驗,缺口伊佐德方式。

我們將仔細研究各種材料在這個實驗中的表現,但是現在,讓我們關註一個微小的細節:在測試之前樣品被切口的事實並非偶然。策略性地放置在最強拉應力區域的凹口為斷層發展提供了自然的空間;沒有它,幾乎所有的材料都會好得多 - 整個測試變得沒那麼有意義了。

這給我們帶來了另一個簡單的設計技巧:避免在通常可承受的應力下的材料失效 - 無論是突然的還是持續的 - 工業設計師試圖在可能承受很大負荷的任何位置避免尖角和缺口。避免麻煩的常用方法是添加圓角和凸台,通過零件結構更均勻地分散應力:

魚片和肋骨可以防止局部壓力。

由於合併這些特徵的成本可以忽略不計,因此研究它們的必要性通常是沒有意義的 - 特別是考慮到完全回答這個問題可能需要你推出重量級有限元方法工具,而不是我們到目前為止所討論的簡單光束計算。最好的方法就是養成在任何地方放置減壓功能的習慣。

圓角和凸台提高了現成的Hammond項目箱的抗衝擊性。

所以...材料是否重要?

哦,當然可以!本系列中討論的設計技術通常比切換到更高端的原型材料具有更明顯的影響 - 但如果您從一個不太適合您需求的庫存開始,您將需要更多地解決其限制經常,以更具侵入性的方式。

本著這種精神,讓我們快速了解一些流行的原型塑料的特性,以及它們與您可能熟悉的日常聚合物的關係:

當然,該表不具有權威性:這些聚合物中的每一種都有各種等級,並且最終性能將根據填料,增塑劑和其結構中包含的其他物質而有所不同。儘管如此,提供的數字應該可以讓您大致了解事物的位置。

有趣的是,這些數據揭示了DIY工作中常用材料的幾個挑戰。例如,PLA - FDM原型選擇的塑料之一 - 純淨形式相當脆弱。一些長絲製造商正在添加增塑劑或共聚物以改善其抗衝擊性,但這樣做可能會顯著降低生產部件的彎曲強度和剛性。

當用於低成本FDM應用時,PLA和ABS的適度標稱強度進一步受到沉積過程本質的影響:層粘附問題,鋼絞線厚度變化以及氣泡等沉積缺陷會產生嚴重的負面影響關於最終原型的性能。

業餘愛好CNC中常用的材料不一定更好。由HDPE(一種入門級加工原料)製成的零件非常脆弱 - 材料的明顯靈活性使其難以在精細機械加工中使用。丙烯酸玻璃是另一種常見的選擇,幾乎在所有方面都是一種特殊的塑料,但其衝擊強度非常低。實際上,材料非常脆,即使在加工過程中,應力開裂也是一個重要問題。

通常,在業餘愛好3D打印和CNC加工中使用的常見低成本材料的選擇並不令人印象深刻,許多潛在的性能更好的替代品很難找到或難以使用。這就是為什麼我是CAD驅動樹脂鑄造的狂熱粉絲的原因之一,這個過程讓您可以近乎廉價地選擇當今使用的頂級工程塑料。

那麼,鑄造樹脂如何比較呢?

簡短的回答:這取決於。下表提供了一些常見的聚氨酯澆注樹脂的快速概述,以及基於聚酯和環氧樹脂化學的兩個準代表性產品示例:

從本質上講,大多數針對DIY用戶的樹脂都非常脆弱或具有完全不起眼的彎曲強度。沒有任何惡意:這種樹脂通常更容易使用 - 在藝術應用中,機械性能並不重要。

也就是說,市場上的一些“專業”聚氨酯很容易勝過尼龍和其他工程塑料 - 甚至可以選擇PEEK等“超級聚合物”。最重要的是,可澆鑄樹脂的性能可以通過非常小的努力得到顯著調整:例如,添加研磨玻璃纖維可以提高彎曲強度並且容易使彎曲模量加倍,儘管這是以沖擊強度為代價的。

關閉的話

零件設計很少是直觀的,即使是最直接的項目也需要相當多的知識和實踐經驗才能使它們正確。這就是為什麼與商業產品競爭的耐用日常用品的家庭製造並不像看起來那麼容易或具有成本效益的原因之一。

也就是說,儘管先進的機械工程和材料科學主題對於臨時訪客來說可能是完全令人生畏的,但是有許多簡單直觀的想法可以成功地使用,而無需購買RPN計算器和幻燈片規則。當然,要掌握它們,有助於向製造業學習 - 而不是將它們視為過去。



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