如何設計更加耐用的3D打印零部件(二)
在上一篇《如何設計更加耐用的3D打印零部件(一)》中，我們介紹了幾種簡單有效的方法來預測并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后可能引發(fā)的結構性問題。畢竟任何會隨機變形的結構，并不會比碎片好多少。
我們延續(xù)之前的部分，一次說個清楚吧。
堅硬度
任何材質受力后，不免都會彎曲。為了厘清彎曲的原因，不妨回想上一篇的模型，也就是那個簡陋的橫木。
橫木一側受力后的彎曲情形
橫木受力后的彎曲度（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，彎曲系數(shù)（E）是給定的常數(shù)，每一種材質都有各自的彎曲系數(shù)，表示承力和變形的關系，在產品規(guī)格表中都會列出來。此外，彎曲度似乎跟施力（F）呈線性比例關系，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(shù)保持恒定之下，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，這個公式并無法透露太多玄機，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。這個公式僅適用于矩形橫剖面，但其他類似形狀也有這樣的特性。
雖然數(shù)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，這應該沒什么好意外的。
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軟件或在線計算器即可得出Ix數(shù)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(yè)設計技法：無須航天級材質，只要簡單的招數(shù)，即可讓塑膠零件兼具耐用、堅固、輕量和小巧等優(yōu)點。
棘手的大問題：耐沖擊強度
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(xiàn)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制成的保鮮盒跑到家門口，把保鮮盒直接砸向水泥墻：它會彈回來。現(xiàn)在試試看有機玻璃材質的保鮮盒，它只會碎成一片片。這聽起來沒什么道理：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沖擊時，難免無法實時分散那一股能量，這有點像水和淀粉的經典實驗，一不小心發(fā)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「耐沖擊強度測試」，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(shù)值跟抗彎曲強度并沒有一定的關系，卻是比較各種物質堅硬度的權宜之計。
我們等一下會再探討各種物質的測試結果，現(xiàn)在先來關注一個小細節(jié)：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(yè)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(xù)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。
內圓角和轂板可分散局部壓力
內圓角和轂板成本并不高，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(yǎng)成添加這些舒壓物件的習慣。
內圓角和轂板可加強外殼的耐沖擊強度
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，還不如實行這里所介紹的設計技巧，但若有先天不良的問題，例如基座不符合你的需要，那你就必須更常游走在臨界邊緣。
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。
這個表格并不是絕對正確的，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(shù)字至少讓你對于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，例如熱熔擠制技術（FDM）常用的聚乳酸（PLA）本身就容易損壞，于是3D打印材料制造商會添加塑化劑或共聚物來提升沖擊抗力，卻可能大幅降低抗彎曲強度和堅硬度。
低成本FDM制程經常使用聚乳酸（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(xiàn)。
CNC業(yè)余玩家常用的材料也不一定比較好，高密度聚乙烯（HDPE）所制成的零件很輕薄，優(yōu)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，沖擊抗力卻低到不行，就連在加工過程中也存在應力開裂之虞。
總體來說，3D打印機和CNC業(yè)余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樹脂鑄制的原因，這讓業(yè)余玩家能盡量趨近于現(xiàn)今工程塑膠的境界。
既然這樣……該怎么比較鑄制樹脂？
答案很簡單：看情況。下列表格介紹一些熱門的聚氨酯（polyurethane） 鑄制樹脂，外加兩個有代表性的產品，以聚脂（polyester）和環(huán)氧（epoxy）樹脂制成。
本質上，鎖定DIY玩家的鑄制樹脂，大多容易損壞或抗彎曲強度不足，但也不是沒有優(yōu)點，畢竟這類樹脂通常容易處理，況且從藝術創(chuàng)作方面來說，機械屬性并沒有那么重要。
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，就能大幅調整鑄制樹脂的表現(xiàn)：例如添加磨碎的玻璃纖維，可提升抗彎曲強度、加倍彎曲系數(shù)，但可能有損沖擊抗力。
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，也沒有想象中省錢。 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(xiàn)。當然，跟制造業(yè)取經，學會這些工業(yè)設計技巧，而不是把制造業(yè)當作夕陽產業(yè)，對我們是有所助益的。
(責任編輯：admin)
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