Последни прототипи: Прости съвети за изработване на трайни части, част 2 - 💡 Fix My Ideas

Последни прототипи: Прости съвети за изработване на трайни части, част 2

Последни прототипи: Прости съвети за изработване на трайни части, част 2


Автор: Ethan Holmes, 2019

Напредъкът в евтиния 3D печат и машинната обработка с ЦПУ улесни нарастващия брой любители да проектират и произвеждат сложни части в личния живот на своите домове. Уви, технологията сама по себе си не винаги е достатъчна: функционалните прототипи, изработени от PLA или обработени от HDPE, често се оказват изненадващо малко твърдост и здравина.

В предишната версия на Prototypes That Last, ние изследвахме няколко прости, мощни начина за прогнозиране и подобряване на границите на натоварване на частите, които правите. Това е много полезно, но ние удобно сме пренебрегнали факта, че еластичната деформация на механичните компоненти понякога може да се превърне в проблем много преди те да претърпят какъвто и да е структурен отказ. В края на краищата, връзката, която случайно се издърпва под натоварване, може да не е по-добра от връзката, която се разбива на парчета.

Нека вземем мястото, където спряхме миналата седмица, и да я оправим веднъж завинаги.

Разбиране на твърдостта

Както можете да си представите, всички материали се отклоняват под товар; за да разбера какви фактори играят роля в този процес, помага да се върнем към простия, идеализиран модел, на който сме се позовали в предишната част на тази статия. Извикайте скромен конзолен лъч:

Конзолна греда, отклоняваща се под точково натоварване, приложена към неговия край.

Експериментално получената формула за отклонение (d), която този лъч ще изпита близо до бизнес края си, е така:

d = Fизвивам* L³ / (3 * E * Iх )

Нека да разгледаме уравнението, за да разберем как работи всичко. На първо място, имаме модул на огъване (Е) - присъща, специфична за материала постоянна, описваща връзката между опитното напрежение и получената деформация; тази стойност може лесно да бъде прегледана в продуктовите листове с продукти. Отвъд това, деформацията изглежда линейно пропорционална на приложената сила (F) и се увеличава с куба на дължината на частта (L). Нищо за това не трябва да бъде особено неочаквано.

Наистина интересна част е, че отклонението намалява до момента на инерцията на зоната на частта (Iх) - което, както е обсъдено в статията от миналата седмица, представлява конкретна мярка за разпределението на материала в напречното сечение на гредата. С други думи, с останалите параметри, които остават постоянни, моментът на инерцията се превръща в пряка мярка за твърдостта на частта.

Разбира се, това твърдение не ни казва много. Така че, нека изкопаем въведената по-рано формула за Iх в правоъгълни греди:

азх = w * h³ / 12

А-ха! Това ни подсказва, че твърдостта на правоъгълния лъч ще бъде линейно пропорционална на нейната ширина (w) и пропорционална на куба на неговата дебелина (h). Въпреки че тази точна формула е валидна само за правоъгълни напречни сечения, същото общо отношение често се отнася и за други прости форми.

Математиката може да изглежда светска, но нека да я изпробваме на практика, като преразгледаме мисълта, който работихме миналата седмица. Тогава се опитахме да утроим товароносимостта на даден механичен компонент. Ето какво би направил всяко от оригиналните решения за менх:

  1. Първият от предложените методи разчита на утрояване на ширината на детайла. Тъй като този параметър (w) влияе на нашето ново уравнение по линеен начин, подходът предполагаемо подобрява твърдостта с фактор три. Засега няма изненади.
  2. Вторият подход от миналата седмица възлиза на промяна на височината (h) на лъча от 1 на 1,73 mm. Един бърз поглед към уравнението предполага, че това би увеличило Iх с коефициент 1.73³ / 1³ ≈ 5.18. С други думи, скромната промяна в дебелината на частите направи не само значително по-силна, но и пет пъти по-твърда. Интересно, нали?
  3. Последното решение се състоеше в изграждането на грубо квадратна форма на I-лъча. Както беше обсъдено по-рано, символичните изчисления на Iх за I лъчите са объркани, но можем да използваме CAD програма или да включим измеренията в онлайн калкулатор, за да видим какво се случва. По този начин бързо можем да потвърдим, че моментът на инерция се променя от ~ 0.417 mm⁴ за първоначалното напречно сечение 5 x 1 mm, до ~ 3.246 mm⁴ за I-лъча - увеличение с коефициент почти осем. Това е доста удивителен удар, в сравнение с много по-слабо изразената промяна в капацитета на товара на гредата, за която първоначално сме се стремили.

В крайна сметка, като направихме тривиални, но информирани промени в геометрията на частите, успяхме да намалим теглото му и да подобрим драстично способността му да издържа на огъване. Ние дори не бихме се доближили до такива резултати, като просто сменихме от ABS към PEEK; всъщност алуминият също щеше да се справи трудно.

По този начин обикновено става въпрос за индустриален дизайн: прости трикове, а не космически композитни материали, правят пластмасовите приспособления трайни, твърди, леки и малки.

Последният слон в стаята: сила на удара

По принцип, огъващите свойства на даден материал, може би заедно с неговата якост на опън и компресия, трябва да рисуват доста изчерпателна картина за това как тя ще работи. Но на практика нещата не винаги работят по този начин. Ако се чувствате авантюристично, вземете контейнер за съхранение на храна, направен от млечната, прозрачна пластмаса, известна като полипропилен. Отидете в предната част на къщата си и се опитайте да я забиете на бетон: шансовете са, че просто ще се върнат обратно. Сега опитайте същото с всичко, направено от акрилно стъкло, само за да го разбиете на парчета. Този резултат няма никакъв смисъл: якостта на огъване на акрилното стъкло е повече от два пъти по-голяма от тази на полипропилена. Нещо не е наред!

Е, както се оказва, когато се подлагат на внезапни, локализирани удари, някои полимери просто не могат да разсеят енергията достатъчно бързо - ефект, който напомня на класическия експеримент с вода и нишесте, който тече, ако се обработва внимателно, но се разпада, когато се удари , За да се определи количествено уязвимостта на пластмасите към този вид неуспех, инженерите са разработили сравнително груб метод, известен като "тест за удар със зъб на Izod". Процедурата измерва загубата на енергия от махалото, подобно на чук, като се сблъсква с назъбена проба от материал, поставен на пътя му. Получената стойност няма универсалната значимост, свързана с модула на огъване или якостта на огъване - но ни дава удобен начин за сравняване на издръжливостта на различни вещества, за които се грижим.

Ударно изпитване на пластмаси, назъбения начин на Izod.

Ще разгледаме по-отблизо как се изпълняват различните материали в този експеримент, но засега нека се съсредоточим върху една малка подробност: фактът, че пробата е набраздена преди тестването, не е случайна. Място, стратегически разположено в района на най-интензивния стрес на опън предлага естествено място за развитие на грешките; без него почти всички материали се влошават значително по-добре - и целият тест става много по-малко смислен.

Това ни води до друг прост съвет: за да се избегнат материални повреди при нормално оцеляващ стрес - било то внезапно или непрекъснато - промишлените дизайнери се опитват да избягват остри ъгли и прорези на места, които биха могли да бъдат подложени на значителни натоварвания. Често срещан начин за избягване на проблеми е добавянето на филета и шефовете, които по-равномерно разпръскват напрежението чрез структурата на частта:

Филетата и ребрата могат да предотвратят локализирания стрес.

Тъй като цената на включването на такива характеристики е незначителна, обикновено няма смисъл да се изследва тяхната необходимост - особено като се има предвид, че пълното отговаряне на този въпрос може да изисква от вас да извадите инструментите за метода на крайните елементи в тежка категория, а не опростените изчисления на лъча, за които говорихме досега , Най-добрият подход е просто да направите навик да поставяте облекчаващите стреса функции, където и да можете.

Заоблени ъгли и глави подобряват съпротивлението при удар в кутията на проекта Hammond.

Така че… материята има ли значение?

О, със сигурност! Техниките за проектиране, които се разглеждат в тази серия, често имат по-ясно изразено въздействие, отколкото преминаването към материал от по-висок клас за прототипи - но ако започнете със запас, който е по-малко подходящ за вашите нужди, ще трябва да се справите с неговите ограничения. често и по-натрапчиви.

В този дух, нека да приключим дискусията с бърз поглед върху свойствата на някои от популярните прототипи за пластмаси и как те се отнасят до ежедневните полимери, с които може да сте запознати:

Разбира се, таблицата не е достоверна: всеки от тези полимери е наличен в различни степени, а крайните свойства ще се различават в зависимост от пълнителите, пластификаторите и други вещества, включени в неговата структура. Независимо от това, предоставените номера трябва да ви дадат общо усещане за това къде стоят нещата.

Интересното е, че данните разкриват няколко предизвикателства с материалите, които обикновено се използват в работата на „Направи си сам“. Например, PLA - един от най-подходящите за FDM прототипи - е доста крехка в чистата си форма. Някои от производителите на нишки добавят пластификатори или кополимери за подобряване на неговата устойчивост на удар, но това вероятно води до драстично намаляване на якостта на огъване и твърдостта на произведените части.

Когато се използва за нискотарифни FDM приложения, скромната номинална якост на PLA и ABS допълнително се подкопава от самата природа на процеса на отлагане: проблемите с адхезията на слоя, вариациите на дебелината на струните и дефектите на отлагане, като газови мехурчета, могат да имат значително отрицателно въздействие за представянето на получените прототипи.

Материалите, които обикновено се използват в хоби CNC, не са задължително по-добри. Частите, изработени от HDPE, първоначална суровина за обработка, са изключително крехки - и ясно изразената гъвкавост на материала прави предизвикателството да ги използваме при фина механична работа. Акрилното стъкло, другият общ избор, е изключителна пластмаса на почти всички точки, но страда от много ниска якост на удар. В действителност, материалът е толкова крехък, че напукването на напрежението е важен въпрос дори по време на самия процес на обработка.

Като цяло, изборът на обикновени, евтини материали, използвани в хоби 3D принтирането и в машинната обработка с ЦПУ, не е впечатляващ и много от потенциалните по-добри алтернативи са трудни за намиране или трудни за работа. Това е една от причините, поради която съм запален почитател на кастинга на каучук, който ви позволява да сравните внимателно и евтино избора на първокласни инженерни пластмаси, които се използват днес.

И така, как се сравняват леящите смоли?

Краткият отговор: наистина зависи. Следващата таблица дава бърз преглед на някои от популярните полиуретанови леярски смоли, заедно с два квази-представителни примера на продукти на основата на полиестерни и епоксидни химии:

По същество, голяма част от смолите, които са насочени към „направи си сам“ потребители, са изключително крехки или се характеризират с напълно невпечатляващи якости на огъване. Няма злоба в това: такива смоли обикновено са малко по-лесни за работа - и в художествените приложения, механичните свойства не са от голямо значение.

Въпреки това, някои от „про” полиуретаните, които се предлагат на пазара, лесно превъзхождат найлоновите и други инженерни пластмаси - дори се опитват да изберат свойства на „супер-полимери“ като PEEK. Наред с това, производителността на леещи смоли може да бъде драстично коригирана с много малко усилие: например, добавянето на смлени стъклени влакна увеличава якостта на огъване и лесно удвоява модула на огъване, въпреки че това се случва за сметка на ударната якост.

Затварящи думи

Дизайнът на частите рядко е интуитивен, а дори и най-простите проекти изискват достатъчно знания и практически опит, за да ги направят правилни. Това е една от причините, поради които домашното производство на дълготрайни ежедневни изделия, които се конкурират с търговски продукти, не е толкова лесно и рентабилно, колкото изглежда.

Въпреки това, въпреки че усъвършенстваните теми в областта на машиностроенето и науката за материалите могат да бъдат напълно смущаващи за случайните посетители, има много прости и интуитивни идеи, които могат да бъдат успешно използвани, без да се налага да купувате RPN калкулатор и слайд правило. Разбира се, за да ги овладеят, помага да се учим от преработващата промишленост - вместо да ги отхвърляме като нещо от миналото.



Може Да Се Интересувате

Математически понеделник: Triangular Trial Run

Математически понеделник: Triangular Trial Run


Ревю: "Хардуерният хакер" от Андрю "Бъни" Хуанг

Ревю: "Хардуерният хакер" от Андрю "Бъни" Хуанг


Как DJ уверява, че е създал EZ-робот от земята

Как DJ уверява, че е създал EZ-робот от земята


Какво ще стане, ако различни скулптори са направили тази скулптура? Използване на Drones да разберете

Какво ще стане, ако различни скулптори са направили тази скулптура? Използване на Drones да разберете