歷久彌新的原型:教你製作耐用的零件(2)

八月 30, 2016
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低成本的3D印表機和CNC工具不斷推出新,更多業餘玩家在家也能自行設計並製複雜的零件。然而,光靠這些技術並不夠,用聚乳酸(PLA)或高密度聚乙烯(HDPE)塑膠製成的功能性原型,其硬度和強度皆差強人意。
在上一篇歷久彌新的原型中,我們介紹了幾種簡單有效的方法來預測並提升零件的承載能力。想必大家都覺得很實用,但我們通常仍會忽略機械零件在變形後可能引發的結構性問題。畢竟任何會隨機變形的結構,並不會比碎片還要好多少。
我們延續之前的部分,一次說個清楚吧。

堅硬度

任何材質受力後,不免都會彎曲。為了釐清彎曲的原因,不妨回想上一篇的模型,也就是那個簡陋的橫木。
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橫木一側受力後的彎曲情形 
橫木受力後的彎曲度(d),計算公式如下:
d = Fbend* L³ / ( 3 * E * Ix )
我們看這個公式就會明白箇中原理。首先,彎曲係數(E)是給定的常數,每一種材質都有各自的彎曲係數,表示承力和變形的關係,在產品規格表中都會列出來。此外,彎曲度似乎跟施力(F)呈線性比例關係,也跟橫木長度(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,其他參數保持恆定之下,截面矩直接決定零件的堅硬度。我們在上一篇文章提過,截面矩是橫木橫剖面的物質分布情況。
當然,這個公式並無法透露太多玄機,我們再回到上一篇的截面矩公式:
Ix = w * h³ / 12
原來如此!矩形橫木的堅硬度不僅跟寬度(w)成正比,也跟厚度(h)成正比。這個公式僅適用於矩形橫剖面,但其他類似形狀也有這樣的特性。
雖然數學計算有點枯燥,但試著回想上一篇介紹的實驗,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方程式,寬度增加三倍,堅硬度也會提升三倍,這應該沒什麼好意外的。
2.  第二個方式是把厚度(h)從1mm增為1.73mm,截面矩因此增加1.73³ / 1³ ≈ 5.18倍,換言之,只要調整一點點厚度,不僅變得更堅固,堅硬度還提升了五倍,很有趣吧?
3. 第三個方式是打造工字梁,我之前說過工字梁的截面矩難以計算,但利用CAD軟體或線上計算器即可得出Ix數值變化,馬上就能確認截面矩從原本~0.417 mm⁴ 變成~3.246 mm⁴,幾乎快增加了八倍。這是驚人的成長,比我們原本預計的承載能力好太多了。
稍微調整零件的形狀,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,也不一定能夠達到這個境界,事實上,就連鋁材也沒有這種能耐。
這就是所謂工業設計技法:無須航太級材質,只要簡單的招數,即可讓塑膠零件兼具耐用、堅固、輕量和小巧等優點。

棘手的大問題:耐衝擊強度

原則上,從抗彎曲強度、抗張強度和抗壓縮強度,大致可以看出特定材質的性能,但現實總是跟理想有差距,如果你具有冒險精神,不妨拿著聚丙烯纖維製成的保鮮盒跑到家門口,把保鮮盒直接砸向水泥牆:它會彈回來。現在試試看有機玻璃材質的保鮮盒,它只會碎成一片片。這聽起來沒什麼道理:有機玻璃的抗彎曲強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衝擊時,難免無法即時分散那一股能量,這有點像水和澱粉的經典實驗,一不小心發生碰撞就毀了。為了計算塑膠能應付多少撞擊,工程師設計一種相對簡略的方法,稱為「耐衝擊強度測試」,專門測量材料遭到擺錘撞擊時會喪失多少能量,不過這個數值跟抗彎曲強度並沒有一定的關係,卻是比較各種物質堅硬度的權宜之計。
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有缺口的塑膠正在進行衝擊測試
我們等一下會再探討各種物質的測試結果,現在先來關注一個小細節:測試樣本的缺口。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試而沒有測試的必要了。
這提醒我們一個設計小訣竅:工業設計師都會盡量避免明顯的彎角和缺口,讓物件能承受突來或持續的壓力。有一個常見的解決方法是加上內圓角或轂板來分散壓力。
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內圓角和轂板可分散局部壓力
內圓角和轂板成本並不高,因此不管如何都會添加,否則光憑我們目前的算式,根本無法評估必要性,反之還要動用艱澀的有限元素分析工具,所以最好養成添加這些舒壓物件的習慣。
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內圓角和轂板可加強外殼的耐衝擊強度

既然如此,材質到底重不重要?

材質當然重要!不過想要提升承載能力,與其改用高階原型材料,還不如實行這裡所介紹的設計技巧,但若有先天不良的問題,例如基座不符合你的需要,那你就必須更常遊走在臨界邊緣。
讓我們來看看幾種常見原型塑膠的屬性,以及它們在生活中的用途。
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這個表格並不是絕對正確的,畢竟相同的聚合物也分成不同的等級,最終屬性也會隨著填充物、塑化劑等結構內部物質而改變,但這些數字至少讓你對於承載能力有個基本概念。
有趣的是,這些資料也透露出DIY專題材料的幾個侷限,例如熱熔擠製技術(FDM)常用的聚乳酸(PLA)本身就容易損壞,於是3D列印材料製造商會添加塑化劑或共聚物來提升衝擊抗力,卻可能大幅降低抗彎曲強度和堅硬度。
低成本FDM製程經常使用聚乳酸(PLA)和ABS樹脂,其所標榜的平均強度通常也會因為沈積過程而減弱:不管是黏合層、纖維絲厚度、沈積瑕疵,皆可能嚴重損害最終原型的表現。
CNC業餘玩家常用的材料也不一定比較好,高密度聚乙烯(HDPE)所製成的零件很輕薄,優點是彈性佳,缺點是不適合精密機械工程。另一種常見材料是有機玻璃,從各方面來看都是不凡的塑料,衝擊抗力卻低到不行,就連在加工過程中也存在應力開裂之虞。
總體來說,3D印表機和CNC業餘玩家經常挑選低廉而常見的材料,因為其他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樹脂鑄製的原因,這讓業餘玩家能盡量趨近於現今工程塑膠的境界。

既然這樣……該怎麼比較鑄製樹脂?

答案很簡單:看情況。下列表格介紹一些熱門的聚氨酯(polyurethane) 鑄製樹脂,外加兩個有代表性的產品,以聚脂(polyester)和環氧(epoxy)樹脂製成。
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本質上,鎖定DIY玩家的鑄製樹脂,大多容易損壞或抗彎曲強度不足,但也不是沒有優點,畢竟這類樹脂通常容易處理,況且從藝術創作方面來說,機械屬性並沒有那麼重要。
市面上部分聚氨酯(polyurethanes)比尼龍等工程塑膠更好用,甚至逐步趕上超級聚(醚/醚/酮) (PEEK)。最重要的是,使用者不費吹灰之力,就能大幅調整鑄製樹脂的表現:例如添加磨碎的玻璃纖維,可提升抗彎曲強度、加倍彎曲係數,但可能有損衝擊抗力。

結論

設計零件不能單憑直覺,就連最簡單的專題也需要大量的知識和實踐經驗。這也難怪DIY日常用品難敵工廠商品,不但不容易做起來,也沒有想像中省錢。
高階機械工程和材料科學可能嚇跑不少人,但就算沒有PRN計算器和計算尺,還是有不少單純和直覺的構想能成功實現。當然,跟製造業取經,學會這些工業設計技巧,而不是把製造業當作夕陽產業,對我們是有所助益的。
(譯:謝明珊)
原文
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