Prototipos que duran: consejos simples para hacer piezas duraderas, Parte 2 - 💡 Fix My Ideas

Prototipos que duran: consejos simples para hacer piezas duraderas, Parte 2

Prototipos que duran: consejos simples para hacer piezas duraderas, Parte 2


Autor: Ethan Holmes, 2019

Los avances en la impresión 3D de bajo costo y el mecanizado CNC han facilitado a un creciente número de aficionados el diseño y la fabricación de piezas complejas en la privacidad de sus hogares. Lamentablemente, la tecnología en sí no siempre es suficiente: los prototipos funcionales hechos de PLA o maquinados con HDPE a menudo tienen una rigidez y resistencia sorprendentemente escasas.

En la entrega anterior de Prototypes That Last, investigamos varias formas simples y potentes de predecir y mejorar los límites de carga de las piezas que usted crea. Eso es bastante útil, pero hemos pasado por alto el hecho de que la deformación elástica de los componentes mecánicos a veces puede convertirse en un problema mucho antes de que sufran algún tipo de falla estructural. Después de todo, un enlace que se dobla aleatoriamente bajo carga puede no ser mejor que un enlace que se rompió en pedazos.

Retomemos lo que dejamos la semana pasada y lo arreglaremos de una vez por todas.

Entender la rigidez

Como puedes imaginar, todos los materiales se desvían bajo carga; Para averiguar qué factores juegan un papel en este proceso, es útil volver al modelo simple e idealizado en el que nos hemos basado en la parte anterior de este artículo. Recordemos la viga humilde en voladizo:

Viga en voladizo, que se desvía bajo una carga puntual aplicada a su extremo.

La fórmula derivada experimentalmente para la deflexión (d) que experimentará este rayo cerca de la finalización de su negocio es la siguiente:

d = Fcurva* L³ / (3 * E * IX )

Echemos un vistazo a la ecuación para tener una idea de cómo funciona todo. En primer lugar, tenemos el módulo de flexión (E), una constante inherente, específica del material, que describe la relación entre la tensión experimentada y la deformación resultante; Este valor se puede consultar fácilmente en hojas de datos de productos. Más allá de eso, la desviación parece ser linealmente proporcional a la fuerza aplicada (F) y aumenta con el cubo de longitud de la parte (L). Nada de esto debería ser particularmente inesperado.

La parte realmente interesante es que la desviación disminuye al momento de inercia del área de la parte (IX) - que, como se discutió en el artículo de la semana pasada, es una medida particular de la distribución del material dentro de la sección transversal de la viga. En otras palabras, mientras los parámetros restantes permanecen constantes, el momento de inercia se convierte en una medida directa de la rigidez de la pieza.

Por supuesto, esa afirmación por sí sola no nos dice mucho. Entonces, vamos a desenterrar la fórmula introducida anteriormente para IX en vigas rectangulares:

yoX = w * h³ / 12

A-ha! Esto nos dice que la rigidez de una viga rectangular será linealmente proporcional a su ancho (w), y proporcional al cubo de su grosor (h). Aunque esta fórmula exacta es válida solo para secciones transversales rectangulares, la misma relación general a menudo también es válida para otras formas simples.

Las matemáticas pueden parecer mundanas, pero intentémoslo en la práctica revisando el experimento mental en el que trabajamos la semana pasada. En ese entonces, intentamos triplicar la capacidad de carga de un componente mecánico particular. Esto es lo que cada una de las soluciones originales haríaX:

  1. El primero de los métodos propuestos se basó en triplicar el ancho de la pieza. Dado que este parámetro (w) afecta a nuestra nueva ecuación de forma lineal, el enfoque predeciblemente mejora la rigidez por el factor de tres. Hasta ahora, no hay sorpresas.
  2. El segundo de los enfoques de la semana pasada consistió en cambiar la altura (h) de la viga de 1 a 1,73 mm. Un rápido vistazo a la ecuación sugiere que esto aumentaría IX por el factor de 1.73³ / 1³ ≈ 5.18. En otras palabras, un cambio modesto en el espesor de la pieza no solo lo hizo considerablemente más fuerte, sino también cinco veces más rígido. Interesante, ¿verdad?
  3. La última solución consistió en construir una viga en I de forma aproximadamente cuadrada. Como se discutió anteriormente, los cálculos simbólicos de IX Los haces I son confusos, pero podemos usar un programa CAD o conectar las dimensiones en una calculadora en línea para ver qué sucede. Al hacerlo, podemos confirmar rápidamente que el momento de inercia cambió de ~ 0.417 mm⁴ para la sección original de 5 x 1 mm, a ~ 3.246 mm⁴ para la viga en I, un aumento de casi ocho en un factor. Ese es un golpe sorprendente, comparado con el cambio mucho menos pronunciado en la capacidad de carga de la viga que originalmente buscamos.

Al final, al hacer cambios triviales pero informados a la geometría de la pieza, logramos reducir su peso y mejorar dramáticamente su capacidad para resistir la flexión. Ni siquiera nos habríamos acercado a tales resultados simplemente cambiando de ABS a PEEK; de hecho, el aluminio también tendría dificultades para mantenerse al día.

Y así es como suele ir en el diseño industrial: trucos simples, y no compuestos de la era espacial, son los que hacen que los dispositivos de plástico sean duraderos, rígidos, ligeros y pequeños.

El último elefante en la habitación: fuerza de impacto.

En principio, las propiedades de flexión de un material dado, tal vez junto con su resistencia a la tracción y la compresión, deberían pintar una imagen bastante completa de cómo se desempeñará. Pero en la práctica, las cosas no siempre funcionan de esta manera. Si te sientes aventurero, toma un recipiente de almacenamiento de alimentos hecho del plástico lechoso y translúcido conocido como polipropileno. Vaya al frente de su casa e intente golpearlo contra el concreto: lo más probable es que simplemente se recupere. Ahora intente lo mismo con cualquier cosa hecha de vidrio acrílico, solo para ver cómo se rompe en pedazos. Este resultado no tiene ningún sentido: la resistencia a la flexión del vidrio acrílico es más del doble que la del polipropileno. ¡Algo claramente está mal!

Bueno, resulta que, cuando se los somete a choques repentinos y localizados, algunos polímeros simplemente no pueden disipar la energía lo suficientemente rápido, un efecto que recuerda vagamente al experimento clásico con agua y almidón, que fluye si se maneja con cuidado, pero se desmorona cuando se lo golpea. . Para cuantificar la vulnerabilidad de los plásticos a este tipo de falla, los ingenieros han ideado un método relativamente crudo conocido como "prueba de impacto Izod con muescas". El procedimiento mide la energía perdida por un péndulo en forma de martillo cuando choca con una muestra del material colocado en su camino. El valor resultante no tiene el significado universal asociado con el módulo de flexión o la resistencia a la flexión, pero nos brinda una forma conveniente de comparar la tenacidad de varias sustancias que nos interesan.

Ensayos de impacto de plásticos, la forma de muesca Izod.

Veremos más de cerca cómo se desempeñan los diversos materiales en este experimento, pero por ahora, concentrémonos en un pequeño detalle: el hecho de que la muestra esté entallada antes de la prueba no es accidental. Una muesca colocada estratégicamente en la región de la tensión de tracción más intensa ofrece un lugar natural para el desarrollo de fallas; sin él, casi todos los materiales se desempeñan dramáticamente mejor, y toda la prueba se vuelve mucho menos significativa.

Esto nos lleva a otra sencilla sugerencia de diseño: para evitar fallas en los materiales bajo un estrés que normalmente se puede sobrevivir, ya sea repentino o sostenido, los diseñadores industriales intentan evitar esquinas y muescas en cualquier ubicación que pueda estar sujeta a cargas significativas. Una forma común de evitar problemas es agregar filetes y protuberancias que difundan de manera más uniforme la tensión a través de la estructura de la pieza:

Los filetes y las costillas pueden prevenir el estrés localizado.

Dado que el costo de incorporar tales características es insignificante, generalmente no tiene sentido investigar su necesidad, especialmente dado que responder a esta pregunta puede requerir que elimine las herramientas del método de elementos finitos de peso pesado, en lugar de los cálculos de haz simplistas de los que hablamos hasta ahora. . El mejor enfoque es hacer un hábito de poner características para aliviar el estrés siempre que pueda.

Las esquinas redondeadas y los salientes mejoran la resistencia al impacto en una caja de proyecto de Hammond comercial.

Entonces ... ¿el material importa en absoluto?

¡Oh, ciertamente lo hace! Las técnicas de diseño que se analizan en esta serie a menudo tienen un impacto más pronunciado que el cambio a un material de creación de prototipos más avanzado, pero si comienza con un stock que no es el adecuado para sus necesidades, tendrá que solucionar sus limitaciones más Con frecuencia, y en formas más intrusivas.

En este sentido, resumamos la discusión echando un vistazo rápido a las propiedades de algunos de los prototipos de plásticos populares, y cómo se relacionan con los polímeros cotidianos con los que puede estar familiarizado:

Por supuesto, la tabla no tiene autoridad: cada uno de estos polímeros está disponible en una variedad de calidades, y las propiedades finales diferirán según los rellenos, plastificantes y otras sustancias incorporadas en su estructura. Sin embargo, los números proporcionados deben darle una idea general de dónde están las cosas.

Curiosamente, los datos revelan varios desafíos con los materiales comúnmente utilizados en el trabajo de bricolaje. Por ejemplo, el PLA, uno de los plásticos preferidos para la creación de prototipos FDM, es bastante frágil en su forma pura. Algunos de los fabricantes de filamentos están agregando plastificantes o copolímeros para mejorar su resistencia al impacto, pero al hacerlo probablemente reduce drásticamente la resistencia a la flexión y la rigidez de las piezas producidas.

Cuando se utiliza para aplicaciones FDM de bajo costo, la modesta resistencia nominal de PLA y ABS se ve socavada aún más por la naturaleza misma del proceso de deposición: los problemas de adhesión de la capa, las variaciones del grosor de la hebra y los defectos de deposición como las burbujas de gas pueden tener un impacto negativo significativo Sobre el rendimiento de los prototipos resultantes.

Los materiales comúnmente empleados en CNC de pasatiempo no necesariamente se ven mejor. Las piezas hechas de HDPE, una materia prima de mecanizado de nivel de entrada, son extremadamente débiles, y la flexibilidad pronunciada del material hace que sea difícil utilizarlas en trabajos mecánicos finos. El vidrio acrílico, la otra opción común, es un plástico excepcional en casi todos los aspectos, pero tiene una resistencia al impacto muy baja. De hecho, el material es tan quebradizo que el agrietamiento por tensión es un problema importante incluso durante el proceso de mecanizado en sí.

En general, la elección de materiales comunes y de bajo costo utilizados en la impresión 3D de pasatiempos y en el mecanizado CNC no es impresionante, y muchas de las alternativas potenciales de mejor rendimiento son difíciles de encontrar o difíciles de encontrar. Esa es una de las razones por las que soy un ávido fanático de la fundición de resina impulsada por CAD, un proceso que le permite aproximarse de manera cercana y económica a la elección de los plásticos de ingeniería de primera categoría que se utilizan en la actualidad.

Entonces, ¿cómo se comparan las resinas de fundición, de todos modos?

La respuesta corta: realmente depende. La siguiente tabla proporciona una descripción general rápida de algunas de las populares resinas de fundición de poliuretano, junto con dos ejemplos casi representativos de productos basados ​​en productos químicos de poliéster y epoxi:

En esencia, una buena mayoría de las resinas dirigidas a los usuarios de bricolaje son excepcionalmente frágiles o tienen resistencias a la flexión que no son tan impresionantes. No hay malicia en eso: tales resinas suelen ser un poco más fáciles de trabajar, y en aplicaciones artísticas, las propiedades mecánicas no importan mucho.

Dicho esto, algunos de los poliuretanos "pro" disponibles en el mercado superan fácilmente al Nylon y otros plásticos de ingeniería, incluso avanzando poco a poco hacia las propiedades selectas de los "super-polímeros" como el PEEK. Además, el rendimiento de las resinas moldeables se puede ajustar dramáticamente con muy poco esfuerzo: por ejemplo, agregar fibras de vidrio molidas aumenta la resistencia a la flexión y duplica fácilmente el módulo de flexión, aunque esto sucede a expensas de la resistencia al impacto.

Palabras de cierre

El diseño de la parte rara vez es intuitivo, e incluso los proyectos más sencillos requieren bastante conocimiento y experiencia práctica para hacerlos bien. Esa es una de las razones por las que la fabricación en el hogar de artículos cotidianos duraderos que compiten con los productos comerciales no es tan fácil ni rentable como parece.

Dicho esto, aunque los temas de ingeniería mecánica avanzada y ciencia de los materiales pueden ser intimidantes para los visitantes ocasionales, hay muchas ideas simples e intuitivas que pueden emplearse con éxito sin tener que comprar una calculadora RPN y una regla de cálculo. Por supuesto, para dominarlos, ayuda aprender de la industria manufacturera, en lugar de descartarlos como algo del pasado.



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