Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

Dauerhafte Prototypen: Einfache Tipps zur Herstellung langlebiger Teile, Teil 2

Die Fortschritte beim kostengünstigen 3D-Druck und bei der CNC-Bearbeitung machen es einer wachsenden Zahl von Hobbyisten leicht, komplexe Teile in der Privatsphäre ihres Hauses zu entwerfen und herzustellen. Leider reicht die Technologie selbst nicht immer aus: Funktionsprototypen aus PLA oder aus HDPE-gefrästem Material weisen oft eine erstaunlich geringe Steifigkeit und Festigkeit auf.

In der vorherigen Ausgabe von Prototypes That Last haben wir verschiedene einfache und leistungsstarke Methoden zur Vorhersage und Verbesserung der Belastungsgrenzen der von Ihnen hergestellten Teile untersucht. Das ist sehr nützlich, aber wir haben bequemerweise übersehen, dass die elastische Verformung mechanischer Komponenten manchmal lange zu einem Problem werden kann, bevor sie irgendein strukturelles Versagen erleiden. Schließlich ist eine Verbindung, die zufällig unter Last knickt, nicht besser als eine Verbindung, die in Stücke zersplittert.

Nehmen wir an, wo wir letzte Woche aufgehört haben, und erledigen Sie es ein für alle Mal.

Steifheit verstehen

Wie Sie sich vorstellen können, werden alle Materialien unter Last abgelenkt. Um herauszufinden, welche Faktoren in diesem Prozess eine Rolle spielen, hilft es, auf das einfache, idealisierte Modell zurückzugreifen, auf das wir uns im vorherigen Teil dieses Artikels verlassen haben. Erinnern Sie sich an den bescheidenen Auslegerbalken:

Kragbalken, der unter einer Punktbelastung an seinem Ende abgelenkt wird.

Die experimentell hergeleitete Ablenkungsformel (d), die dieser Balken in der Nähe seines geschäftlichen Endes erfahren wird, sieht folgendermaßen aus:

d = FBiege* L³ / (3 * E * Ix )

Schauen wir uns die Gleichung an, um einen Eindruck davon zu bekommen, wie alles funktioniert. Zunächst haben wir einen Biegemodul (E) - eine inhärente, materialspezifische Konstante, die die Beziehung zwischen der erlebten Spannung und der resultierenden Verformung beschreibt. Dieser Wert kann leicht in Produktdatenblättern nachgeschlagen werden. Darüber hinaus scheint die Auslenkung linear proportional zu der aufgebrachten Kraft (F) zu sein und nimmt mit dem Würfel der Teillänge (L) zu. Nichts davon sollte besonders unerwartet sein.

Der wirklich interessante Teil ist, dass die Durchbiegung auf das Flächenträgheitsmoment des Teils abnimmt (Ix) - was, wie in dem Artikel der letzten Woche erörtert wurde, ein besonderes Maß für die Verteilung des Materials im Querschnitt des Balkens ist. Mit anderen Worten, bei verbleibenden Parametern bleibt das Trägheitsmoment ein direktes Maß für die Teilsteifigkeit.

Natürlich sagt diese Aussage allein nicht viel aus. Lasst uns also die zuvor eingeführte Formel für mich ausgrabenx in rechteckigen Balken:

ichx = w * h³ / 12

Aha! Dies sagt uns, dass die Starrheit eines rechteckigen Balkens linear proportional zu seiner Breite (w) und proportional zu dem Würfel seiner Dicke (h) ist. Obwohl diese exakte Formel nur für rechteckige Querschnitte gilt, gilt dieselbe allgemeine Beziehung oft auch für andere einfache Formen.

Die Mathematik mag banal erscheinen, aber probieren Sie es in der Praxis aus, indem Sie das Gedankenexperiment, an dem wir letzte Woche gearbeitet haben, erneut betrachten. Wir haben damals versucht, die Tragfähigkeit einer bestimmten mechanischen Komponente zu verdreifachen. Hier ist, was jede der ursprünglichen Lösungen für mich tun würdex:

  1. Die erste der vorgeschlagenen Methoden stützte sich auf die Verdreifachung der Breite des Teils. Da dieser Parameter (w) unsere neue Gleichung linear beeinflusst, verbessert der Ansatz die Steifigkeit vorhersagbar um den Faktor drei. Bisher keine Überraschungen.
  2. Der zweite Ansatz der letzten Woche bestand darin, die Höhe (h) des Balkens von 1 auf 1,73 mm zu ändern. Ein kurzer Blick auf die Gleichung deutet darauf hin, dass dies den I-Wert erhöhen würdex um den Faktor 1,73³ / 1³ ≈ 5,18. Mit anderen Worten, eine geringfügige Änderung der Teiledicke machte sie nicht nur wesentlich stärker, sondern auch fünfmal so steif. Interessant, richtig?
  3. Die letzte Lösung bestand darin, einen ungefähr quadratischen I-Träger zu konstruieren. Wie zuvor diskutiert, zeigen die symbolischen Berechnungen von Ix Ich Balken sind unordentlich, aber wir können ein CAD-Programm verwenden oder die Abmessungen in einen Online-Rechner stecken, um zu sehen, was passiert. Dadurch können wir schnell bestätigen, dass sich das Trägheitsmoment von ~ 0,417 mm für den ursprünglichen Querschnitt von 5 x 1 mm auf ~ 3,246 mm für den I-Träger geändert hat - eine Steigerung um fast den Faktor acht. Das ist ein erstaunlicher Schlag, verglichen mit der weniger ausgeprägten Änderung der Tragfähigkeit des Trägers, die wir ursprünglich angestrebt hatten.

Am Ende gelang es uns, triviale, aber sachkundige Änderungen an der Bauteilgeometrie vorzunehmen, das Gewicht zu reduzieren und die Biegefähigkeit zu verbessern. Wir wären solchen Ergebnissen nicht einmal nahe gekommen, wenn wir lediglich von ABS auf PEEK umgestellt hätten; Aluminium könnte sich auch schwer halten.

Und so geht es normalerweise im Industriedesign: Einfache Tricks und nicht Weltraumzeitalter machen Kunststoff-Gadgets dauerhaft, starr, leicht und klein.

Der letzte Elefant im Raum: Schlagfestigkeit

Grundsätzlich sollten die Biegeeigenschaften eines bestimmten Materials, vielleicht zusammen mit seiner Zug- und Druckfestigkeit, ein ziemlich umfassendes Bild dessen Leistung vermitteln. In der Praxis funktionieren die Dinge jedoch nicht immer so. Wenn Sie abenteuerlustig sind, greifen Sie zu einem Aufbewahrungsbehälter für Lebensmittel aus milchigem, durchscheinendem Kunststoff, bekannt als Polypropylen. Gehen Sie vor Ihr Haus und versuchen Sie, es auf Beton zu schlagen: Die Chancen stehen gut, dass es einfach zurückspringt. Versuchen Sie jetzt dasselbe mit etwas, das aus Acrylglas hergestellt ist, um zu sehen, wie es in Stücke zerbricht. Dieses Ergebnis macht keinen Sinn: Die Biegefestigkeit von Acrylglas ist mehr als doppelt so hoch wie die von Polypropylen. Etwas ist eindeutig falsch!

Nun, wie sich herausstellt, können einige Polymere die Energie bei plötzlichen, lokalisierten Erschütterungen einfach nicht schnell genug abbauen - ein Effekt, der vage an das klassische Experiment mit Wasser und Stärke erinnert, das bei einem schonenden Umgang mit Wasser fließt und bei einem Aufprall zerbröckelt . Um die Anfälligkeit von Kunststoffen für diese Art von Fehlern zu quantifizieren, haben Ingenieure eine relativ grobe Methode entwickelt, die als "Izode-Kerbschlagtest" bezeichnet wird. Das Verfahren misst den Energieverlust durch ein hammerartiges Pendel, wenn es mit einer eingekerbten Materialprobe in seinem Weg kollidiert. Der resultierende Wert hat nicht die universelle Bedeutung, die mit dem Biegemodul oder der Biegefestigkeit verbunden ist - aber er gibt uns eine bequeme Möglichkeit, die Zähigkeit verschiedener Substanzen zu vergleichen, die uns wichtig sind.

Schlagprüfung von Kunststoffen nach Izod.

Wir werden uns genauer ansehen, wie die verschiedenen Materialien in diesem Experiment funktionieren, aber lassen Sie uns zunächst auf ein winziges Detail eingehen: Die Tatsache, dass die Probe vor dem Testen gekerbt wird, ist kein Zufall. Eine strategisch im Bereich der stärksten Zugspannung platzierte Kerbe bietet einen natürlichen Ort für die Entwicklung von Fehlern. Ohne sie geht es fast allen Materialien um einiges besser - und der ganze Test wird weniger aussagekräftig.

Dies bringt uns zu einem weiteren einfachen Designtipp: Um Materialausfälle bei normal überlebbaren Belastungen - sei es plötzlich oder dauerhaft - zu vermeiden, versuchen Konstrukteure, scharfe Ecken und Kerben an Stellen zu vermeiden, an denen möglicherweise erhebliche Belastungen auftreten könnten. Um Probleme zu vermeiden, werden häufig Verrundungen und Vorsprünge hinzugefügt, die den Stress gleichmäßiger durch die Struktur des Teils streuen:

Filets und Rippen können lokalen Stress vorbeugen.

Da die Kosten für das Einfügen solcher Merkmale zu vernachlässigen sind, ist es in der Regel nicht sinnvoll, deren Notwendigkeit zu untersuchen. Dies gilt insbesondere für die vollständige Beantwortung dieser Frage, wenn Sie schwere Finite-Elemente-Methoden-Tools einsetzen müssen, anstatt die bisher vereinfachten Strahlberechnungen . Der beste Ansatz besteht darin, sich daran zu gewöhnen, stressabbauende Funktionen so zu gestalten, wie Sie können.

Abgerundete Ecken und Vorsprünge verbessern die Schlagfestigkeit in einer handelsüblichen Hammond-Projektbox.

Also… spielt das Material überhaupt eine Rolle?

Oh, das tut es auf jeden Fall! Die in dieser Serie besprochenen Designtechniken haben oft einen stärkeren Einfluss, als wenn Sie zu einem Prototyping-Material der Spitzenklasse wechseln könnten. Wenn Sie jedoch mit einem Lager beginnen, das für Ihre Anforderungen schlecht geeignet ist, müssen Sie die Einschränkungen noch weiter umgehen häufig und auf aufdringliche Weise.

Lassen Sie uns in diesem Sinne die Diskussion abschließen, indem Sie einen kurzen Blick auf die Eigenschaften einiger populärer Prototyping-Kunststoffe werfen und aufzeigen, wie sie sich auf die alltäglichen Kunststoffe beziehen, mit denen Sie möglicherweise vertraut sind:

Natürlich ist die Tabelle nicht maßgebend: Jedes dieser Polymere ist in verschiedenen Qualitäten erhältlich und die endgültigen Eigenschaften unterscheiden sich je nach Füllstoffen, Weichmachern und anderen Substanzen, die in die Struktur eingearbeitet sind. Trotzdem sollten die angegebenen Zahlen Ihnen einen allgemeinen Eindruck davon vermitteln, wo die Dinge stehen.

Interessanterweise zeigen die Daten einige Herausforderungen an die Materialien, die üblicherweise in der Heimwerkerarbeit verwendet werden. Beispielsweise ist PLA - einer der bevorzugten Kunststoffe für das FDM-Prototyping - in seiner reinen Form ziemlich spröde. Einige Filamenthersteller fügen Weichmacher oder Copolymere hinzu, um die Schlagfestigkeit zu verbessern, was jedoch wahrscheinlich die Biegefestigkeit und Steifigkeit der hergestellten Teile drastisch verringert.

Bei kostengünstigen FDM-Anwendungen wird die mäßige Nennfestigkeit von PLA und ABS durch die Art des Abscheidungsprozesses noch weiter untergraben: Schichtadhäsionsprobleme, Variationen der Strangdicke und Ablagerungsfehler wie Gasblasen können erhebliche negative Auswirkungen haben auf die Leistung der resultierenden Prototypen.

Die Materialien, die üblicherweise in der Hobby-CNC verwendet werden, sind nicht unbedingt besser. Teile aus HDPE, einem Einstiegs-Ausgangsmaterial für die Einstiegsklasse, sind äußerst dünnflüssig - und die ausgeprägte Flexibilität des Materials macht es schwierig, sie für feinmechanische Arbeiten zu verwenden. Acrylglas, die andere gängige Wahl, ist in fast allen Bereichen ein außergewöhnlicher Kunststoff, weist jedoch eine sehr geringe Schlagfestigkeit auf. Tatsächlich ist das Material so spröde, dass Spannungsrisse selbst während des Bearbeitungsprozesses selbst ein erhebliches Problem darstellen.

Im Allgemeinen ist die Auswahl der gängigen, kostengünstigen Materialien für den Hobby-3D-Druck und die CNC-Bearbeitung nicht beeindruckend, und viele der potenziell leistungsfähigeren Alternativen sind schwer zu finden oder schwer zu handhaben. Das ist einer der Gründe, warum ich ein begeisterter Fan von CAD-gießbarem Harzguss bin. Dieser Prozess ermöglicht es Ihnen, die Auswahl an hochwertigen technischen Kunststoffen, die heute verwendet werden, genau und kostengünstig zu schätzen.

Wie lassen sich Gießharze überhaupt vergleichen?

Die kurze Antwort: Es kommt wirklich darauf an. Die folgende Tabelle gibt einen schnellen Überblick über einige der beliebten Polyurethan-Gießharze sowie zwei quasi-repräsentative Beispiele für Produkte auf der Basis von Polyester- und Epoxychemikalien:

Im Wesentlichen ist eine gute Mehrheit der für Heimwerkeranwender bestimmten Harze außergewöhnlich spröde oder besitzt eine völlig unscheinbare Biegefestigkeit. Es ist keine Bosheit darin: mit solchen Harzen lässt sich normalerweise etwas einfacher arbeiten - und in künstlerischen Anwendungen spielen mechanische Eigenschaften keine große Rolle.

Allerdings übertreffen einige der auf dem Markt erhältlichen „Pro“ -Polyurethane Nylon und andere technische Kunststoffe mit Leichtigkeit - sogar in Richtung auf ausgewählte Eigenschaften von „Superpolymeren“ wie PEEK. Darüber hinaus kann die Leistung gießfähiger Harze mit sehr geringem Aufwand drastisch eingestellt werden: Zum Beispiel erhöht die Zugabe von gemahlenen Glasfasern die Biegefestigkeit und verdoppelt leicht den Biegemodul, obwohl dies auf Kosten der Schlagfestigkeit geht.

Schlussworte

Das Design von Teilen ist selten intuitiv, und selbst die einfachsten Projekte erfordern einiges an Wissen und praktischer Erfahrung, um sie richtig zu machen. Dies ist einer der Gründe, warum die Herstellung von langlebigen Gebrauchsgegenständen, die mit kommerziellen Produkten konkurrieren, zu Hause nicht so einfach oder kostengünstig ist, wie es scheint.

Obwohl fortgeschrittene Themen des Maschinenbaus und der Materialwissenschaften für gelegentliche Besucher durchaus einschüchternd sein können, gibt es viele einfache und intuitive Ideen, die erfolgreich eingesetzt werden können, ohne einen RPN-Rechner und einen Rechenschieber kaufen zu müssen. Um sie zu meistern, hilft es natürlich, von der produzierenden Industrie zu lernen - anstatt sie als Vergangenheit zu betrachten.

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