Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

Prototaip Itu Terakhir: Tips Mudah untuk Membuat Bahagian Tahan Lama, Bahagian 2

Kemajuan dalam percetakan 3D kos rendah dan pemesinan CNC menjadikannya mudah untuk semakin ramai penggemar untuk mereka bentuk dan mengeluarkan bahagian yang kompleks dalam privasi rumah mereka. Malangnya, teknologi itu sendiri tidak semestinya cukup: prototaip berfungsi yang diperbuat daripada PLA atau dimeteraikan daripada HDPE sering membuktikan mempunyai ketegaran dan kekuatan yang mengejutkan.

Dalam ansuran sebelumnya Prototaip Itu Terakhir, kami menyiasat beberapa cara mudah dan kuat untuk meramalkan dan meningkatkan had beban bahagian-bahagian yang anda buat.Itu sangat berguna, tetapi kita dengan mudah mengabaikan hakikat bahawa ubah bentuk elastik komponen mekanikal kadangkala menjadi masalah lama sebelum mereka mengalami apa-apa kegagalan struktur. Lagipun, hubungan yang secara rawak meluncur di bawah beban mungkin tidak lebih baik daripada hubungan yang dihancurkan.

Mari kita ambil tempat yang kita tinggalkan minggu lepas, dan isikannya sekali dan buat semua.

Memahami kekakuan

Seperti yang anda boleh bayangkan, semua bahan memesongkan di bawah beban; untuk mengetahui faktor-faktor apa yang memainkan peranan dalam proses ini, ia membantu untuk kembali kepada model yang ideal, yang ideal yang kita telah bergantung pada bahagian sebelumnya artikel ini. Ingat rasuk cantilever yang sederhana:

Rasuk cantilever, memesongkan di bawah beban titik yang digunakan pada akhirnya.

Formula yang ditemui secara eksperimen untuk pesongan (d) bahawa rasuk ini akan mengalami berhampiran hujung perniagaannya seperti ini:

d = Fbengkok* L³ / (3 * E * Ix )

Mari kita lihat persamaan itu untuk mendapatkan gambaran bagaimana ia berfungsi. Pertama sekali, kita mempunyai modulus lenturan (E) - pemalar khusus yang wujud, yang menerangkan hubungan antara tekanan yang berpengalaman dan ubah bentuk yang terhasil; nilai ini boleh dilihat dengan mudah dalam lembaran produk produk. Di luar itu, pesongan itu seolah-olah linear berkadaran dengan daya yang dikenakan (F) dan meningkat dengan kiub panjang bahagian (L). Tiada apa-apa tentang perkara ini yang perlu dijangkakan.

Bahagian yang benar-benar menarik adalah bahawa pesongan berkurang ke bahagian kawasan bahagian inersia (Ix) - yang, seperti yang dibincangkan dalam artikel minggu lalu, adalah ukuran tertentu pengedaran bahan dalam salib rasuk. Dalam erti kata lain, dengan parameter baki tetap berterusan, momen inersia menjadi ukuran langsung ketegaran.

Sudah tentu, kenyataan itu sendiri tidak banyak memberitahu kita. Jadi, mari kita menggali formula yang diperkenalkan sebelumnya untuk sayax dalam rasuk segi empat tepat:

Sayax = w * h³ / 12

A-ha! Ini memberitahu kita bahawa ketegaran rasuk segiempat tepat akan berkadar linear dengan lebar (w), dan berkadaran dengan kubus ketebalannya (h). Walaupun formula tepat ini hanya berlaku untuk rentetan keratan rentas, hubungan umum yang sama sering berlaku untuk bentuk mudah lain juga.

Matematik itu mungkin kelihatan biasa, tetapi mari cuba dalam praktiknya dengan mengkaji semula percubaan pemikiran yang kami lakukan pada minggu lepas. Pada masa itu, kami cuba untuk menggandakan kapasiti beban-beban komponen mekanikal tertentu. Berikut adalah apa yang setiap penyelesaian asal akan dilakukan kepada sayax:

  1. Yang pertama kaedah yang dicadangkan bergantung pada tiga kali lipat bahagian. Oleh kerana parameter ini (w) memberi kesan kepada persamaan baru kita dengan cara yang linear, pendekatan tersebut diramalkan dapat meningkatkan ketegaran oleh faktor tiga. Setakat ini, tiada kejutan.
  2. Pendekatan kedua minggu lalu berjumlah berubah (h) dari rasuk 1 hingga 1.73 mm. Melihat cepat pada persamaan ini menunjukkan bahawa ini akan meningkatkan sayax dengan faktor 1.73 ³ / 1 ³ ≈ 5.18. Dalam erti kata lain, perubahan yang sederhana untuk ketebalan sebahagian menjadikannya lebih kuat, tetapi juga lima kali lebih tegar. Menarik, kan?
  3. Penyelesaian terakhir berjumlah membina kira-kira berbentuk segi empat tepat. Seperti yang telah dibincangkan sebelum ini, pengiraan simbolik Ix kerana saya rasuk adalah kemas, tetapi kita boleh menggunakan program CAD atau pasangkan dimensi ke dalam kalkulator dalam talian untuk melihat apa yang berlaku. Dengan melakukan itu, kita dapat dengan cepat mengesahkan bahawa momen inersia berubah dari ~ 0.417 mm² untuk seksyen 5 x 1 mm yang asal, hingga ~ 3.246 mm4 untuk I-beam - peningkatan oleh faktor hampir lapan. Itulah benjolan yang luar biasa, berbanding dengan perubahan yang ketara dalam kapasiti beban balok yang asalnya kami buat.

Akhirnya, dengan membuat perubahan yang sepele tetapi dimaklumkan kepada bahagian geometri, kami berjaya mengurangkan berat badannya dan secara dramatik meningkatkan keupayaannya untuk menahan bengkok. Kami tidak akan mendekati keputusan seperti hanya dengan menukar dari ABS ke PEEK; sebenarnya, aluminium juga akan mengalami kesulitan.

Dan itulah cara yang biasanya berlaku dalam reka bentuk perindustrian: tip sederhana, dan bukan komposit ruang-ruang, yang menjadikan alat plastik tahan lama, tegar, ringan, dan kecil.

Gajah terakhir di dalam bilik: kekuatan impak

Pada dasarnya, ciri-ciri lenturan sesuatu bahan yang diberikan, mungkin bersama-sama dengan kekuatan tegangan dan mampatannya, harus melukis gambaran yang komprehensif tentang bagaimana ia akan dilakukan. Tetapi dalam amalan, perkara-perkara tidak selalu berfungsi dengan cara ini. Sekiranya anda sedang mencabar, ambil bekas simpanan makanan yang diperbuat daripada plastik yang lutsek, polifropilena. Pergi ke hadapan rumah anda dan cuba membantingnya ke konkrit: kemungkinannya, ia hanya akan melantun semula. Sekarang cuba sama dengan apa-apa yang diperbuat daripada kaca akrilik, hanya untuk melihatnya pecah. Keputusan ini tidak masuk akal: kekuatan lenturan kaca akrilik lebih daripada dua kali ganda daripada polipropilena. Sesuatu yang jelas adalah salah!

Nah, ternyata, apabila terjejas, kejutan setempat, sesetengah polimer tidak dapat menghilangkan tenaga dengan cepat - kesannya mengingatkan eksperimen klasik dengan air dan kanji, yang mengalir jika ditangani dengan perlahan, tetapi runtuh apabila dipukul . Untuk mengukur kelemahan plastik untuk kegagalan jenis ini, jurutera telah mencipta kaedah yang agak kasar yang dikenali sebagai "ujian impak Izod bertekuk". Prosedur ini mengukur tenaga yang hilang oleh pendulum seperti tiang kerana ia bertembung dengan sampel bahan yang diletakkan di dalam laluannya. Nilai yang terhasil tidak mempunyai kepentingan sejagat yang berkaitan dengan modulus lentur atau kekuatan lenturan - tetapi ia memberikan kita cara yang mudah untuk membandingkan ketangguhan pelbagai bahan yang kita sayangi.

Ujian kesan plastik, cara Izod bertekuk.

Kami akan melihat dengan lebih dekat bagaimana pelbagai bahan yang dilakukan dalam eksperimen ini, tetapi pada masa sekarang, mari fokus pada satu perincian kecil: hakikat bahawa sampel dicat sebelum ujian tidak ada kemalangan. Satu kedudukan yang ditempatkan secara strategik di rantau ini ialah tegangan tegangan yang paling sengit yang menawarkan tempat semula jadi bagi kesalahan untuk berkembang; tanpa itu, hampir semua bahan tambang secara dramatik lebih baik - dan keseluruhan ujian menjadi jauh lebih bermakna.

Ini membawa kita kepada satu lagi tip reka bentuk yang mudah: untuk mengelakkan kegagalan material di bawah tekanan biasa yang dapat bertahan - sama ada secara tiba-tiba atau berterusan - pereka perindustrian cuba mengelakkan sudut tajam dan takuk di mana-mana lokasi yang mungkin boleh dikenakan beban yang ketara. Cara yang biasa untuk mengelakkan masalah adalah dengan menambah fillet dan bos yang lebih seragam meresap stres melalui struktur bahagian:

Fillets dan tulang rusuk boleh menghalang tekanan tempatan.

Memandangkan kos menggabungkan ciri-ciri tersebut diabaikan, biasanya tidak masuk akal untuk menyiasat keperluan mereka - terutamanya memandangkan menjawab sepenuhnya soalan ini mungkin mengharuskan anda untuk mengetuk alatan kaedah elemen terhingga heavyweight, dan bukannya perhitungan rasuk sederhana yang kami ceritakan sejauh ini . Pendekatan terbaik hanya untuk membuat tabiat meletakkan ciri-ciri melegakan tekanan di mana sahaja anda boleh.

Sudut bulat dan bos meningkatkan rintangan hentaman dalam kotak projek Hammond yang tidak diisi.

Jadi ... adakah perkara material sama sekali?

Oh, sudah tentu! Teknik reka bentuk yang membincangkan dalam siri ini sering mempunyai kesan yang lebih ketara daripada beralih kepada bahan prototaip yang lebih tinggi yang pernah dapat - tetapi jika anda memulakan dengan stok yang tidak sesuai untuk keperluan anda, anda perlu mengatasi batasan yang lebih banyak kerap, dan dengan cara yang lebih mengganggu.

Dalam semangat ini, mari kita bungkus perbincangan dengan melihat dengan cepat sifat-sifat beberapa plastik prototaip yang popular, dan bagaimana ia berkaitan dengan polimer setiap hari yang mungkin anda kenal dengan:

Sudah tentu, jadual tidak berwibawa: setiap polimer ini boleh didapati dalam pelbagai gred, dan sifat akhir akan berbeza bergantung kepada pengisi, pelapis, dan bahan lain yang dimasukkan ke dalam strukturnya. Walau bagaimanapun, nombor yang disediakan harus memberikan anda rasa umum di mana perkara-perkara itu berdiri.

Menariknya, data mendedahkan beberapa cabaran dengan bahan yang biasa digunakan dalam kerja DIY. Sebagai contoh, PLA - salah satu daripada plastik pilihan untuk prototaip FDM - agak rapuh dalam bentuk tulennya. Sesetengah pengeluar filamen menambah pengeluar plastik atau kopolimer untuk meningkatkan rintangan hentamannya, tetapi dengan demikian secara mendadak mengurangkan kekuatan lenturan dan ketegaran bahagian-bahagian yang dihasilkan.

Apabila digunakan untuk aplikasi FDM yang rendah, kekuatan nominal PLA dan ABS yang sederhana adalah lebih teruk lagi oleh sifat pemendapan proses: masalah pelekatan lapisan, variasi ketebalan lapisan, dan kecacatan pemendapan seperti gelembung gas boleh mempunyai kesan negatif yang besar mengenai prestasi prototaip yang terhasil.

Bahan-bahan yang biasa digunakan dalam hobi CNC tidak semestinya tambang yang lebih baik. Bahagian-bahagian yang diperbuat daripada HDPE, bahan mentah pemesinan peringkat kemasukan, sangat tipis - dan kelenturan bahan yang diucapkan menjadikannya mencabar untuk menggunakannya dalam kerja mekanikal yang baik. Kaca akrilik, pilihan umum yang lain, adalah plastik luar biasa pada hampir semua tuduhan, tetapi menderita dari kekuatan kesan yang sangat rendah. Malah, bahan itu begitu rapuh sehingga retakan tegangan adalah masalah penting walaupun semasa proses pemesinan itu sendiri.

Secara umum, pilihan bahan-bahan biasa, kos rendah yang digunakan dalam percetakan 3D hobi dan pemesinan CNC tidak mengesankan, dan banyak alternatif yang berpotensi lebih baik adalah sukar untuk dicari atau sukar untuk dikerjakan. Itulah salah satu sebab mengapa saya peminat gemar pemacu resin yang didorong oleh CAD, satu proses yang membolehkan anda berhati-hati dan murah menghampakan pilihan plastik kejuruteraan terkemuka yang digunakan hari ini.

Jadi, bagaimanakah cara membandingkan resin pemutus?

Jawapan ringkas: ia sangat bergantung. Jadual berikut memberikan gambaran ringkas tentang beberapa resin lakonan poliuretana yang popular, di samping dua contoh kuantitatif produk berasaskan poliester dan kimia epoksi:

Pada dasarnya, majoriti resin yang disasarkan kepada pengguna DIY sangat rapuh atau mempunyai ciri kekuatan lentur yang tidak mengesankan. Tidak ada niat jahat dalam hal itu: resin semacam itu biasanya agak mudah untuk digunakan - dan dalam aplikasi artistik, sifat mekanik tidak begitu penting.

Yang mengatakan, beberapa poliuretan "pro" yang terdapat di pasaran dengan mudah mengungguli Nylon dan plastik kejuruteraan lain - walaupun berliku ke arah sifat pilih "super-polimer" seperti PEEK. Di samping itu, prestasi resin yang boleh dibuang boleh disesuaikan secara dramatik dengan sedikit usaha: contohnya, menambah gentian kaca giling meningkatkan kekuatan lentur dan mudah berganda modulus lenturan, walaupun ini berlaku dengan mengorbankan kekuatan impak.

Menutup perkataan

Reka bentuk sebahagian jarang intuitif, dan bahkan projek-projek yang paling lurus memerlukan pengetahuan dan pengalaman yang cukup untuk mendapatkannya dengan betul. Itulah salah satu sebab mengapa pembuatan rumah barang-barang harian yang tahan lama yang bersaing dengan produk komersial tidaklah mudah atau kos efektif kerana ia mungkin kelihatan.

Katanya, walaupun topik kejuruteraan mekanikal dan bahan sains yang maju dapat menakutkan pelawat biasa, terdapat banyak idea yang mudah dan intuitif yang boleh digunakan dengan berkesan tanpa harus membeli kalkulator RPN dan peraturan slaid. Sudah tentu, untuk menguasai mereka, ia membantu untuk belajar dari industri pembuatan - daripada memecat mereka sebagai sesuatu yang lalu.

Kongsi

Meninggalkan Komen