如何设计更加耐用的3D打印零部件(二)

     在上一篇《如何设计更加耐用的3D打印零部件(一)》中，我们介绍了几种简单有效的方法来预测并提升零件的承载能力。想必大家都觉得很实用，但我们通常仍会忽略机械零件在变形后可能引发的结构性问题。毕竟任何会随机变形的结构，并不会比碎片好多少。

我们延续之前的部分，一次说个清楚吧。

坚硬度

任何材质受力后，不免都会弯曲。为了厘清弯曲的原因，不妨回想上一篇的模型，也就是那个简陋的横木。

横木一侧受力后的弯曲情形

横木受力后的弯曲度（d），计算公式如下：

d = Fbend* L3 / ( 3 * E * Ix )

我们看这个公式就会明白箇中原理。首先，弯曲系数（E）是给定的常数，每一种材质都有各自的弯曲系数，表示承力和变形的关系，在产品规格表中都会列出来。此外，弯曲度似乎跟施力（F）呈线性比例关系，也跟横木长度（L）成正比，这些都在意料之中。

真正有趣的是，弯曲度跟截面矩（Ix）成反比，换言之，其他参数保持恒定之下，截面矩直接决定零件的坚硬度。我们在上一篇文章提过，截面矩是横木横剖面的物质分布情况。

当然，这个公式并无法透露太多玄机，我们再回到上一篇的截面矩公式：

Ix = w * h3 / 12

原来如此！矩形横木的坚硬度不仅跟宽度（w）成正比，也跟厚度（h）成正比。这个公式仅适用于矩形横剖面，但其他类似形状也有这样的特性。

虽然数学计算有点枯燥，但试着回想上一篇介绍的实验，我们把零件的承载能力提升为三倍，以下是一些解决方式对截面矩的影响：

1.  把宽度增加三倍。既然宽度（w）以线性的方式左右整个方程式，宽度增加三倍，坚硬度也会提升三倍，这应该没什么好意外的。

2.  第二个方式是把厚度（h）从1mm增为1.73mm，截面矩因此增加1.733 / 13 ≈ 5.18倍，换言之，只要调整一点点厚度，不仅变得更坚固，坚硬度还提升了五倍，很有趣吧？

3. 第三个方式是打造工字梁，我之前说过工字梁的截面矩难以计算，但利用CAD软件或在线计算器即可得出Ix数值变化，马上就能确认截面矩从原本~0.417 mm⁴ 变成~3.246 mm⁴，几乎快增加了八倍。这是惊人的成长，比我们原本预计的承载能力好太多了。

稍微调整零件的形状，一来可降低其重量，二来提升承载能力，就算是丙烯腈（ABS）和聚醚醚酮（PEEK）等高阶材料，也不一定能够达到这个境界，事实上，就连铝材也没有这种能耐。

这就是所谓工业设计技法：无须航天级材质，只要简单的招数，即可让塑胶零件兼具耐用、坚固、轻量和小巧等优点。

棘手的大问题：耐冲击强度

原则上，从抗弯曲强度、抗张强度和抗压缩强度，大致可以看出特定材质的性能，但现实总是跟理想有差距，如果你具有冒险精神，不妨拿着聚丙烯纤维制成的保鲜盒跑到家门口，把保鲜盒直接砸向水泥墙：它会弹回来。现在试试看有机玻璃材质的保鲜盒，它只会碎成一片片。这听起来没什么道理：有机玻璃的抗弯曲强度明明是聚丙烯纤维的两倍！这显然事有蹊跷。

原来是聚合物承受突如其来的局部冲击时，难免无法实时分散那一股能量，这有点像水和淀粉的经典实验，一不小心发生碰撞就毁了。为了计算塑胶能应付多少撞击，工程师设计一种相对简略的方法，称为「耐冲击强度测试」，专门测量材料遭到摆锤撞击时会丧失多少能量，不过这个数值跟抗弯曲强度并没有一定的关系，却是比较各种物质坚硬度的权宜之计。

我们等一下会再探讨各种物质的测试结果，现在先来关注一个小细节：测试样本的缺口。缺口的位置具有特殊意义，必须是张力最大的地方，否则几乎所有材料都能够通过测试而没有测试的必要了。

这提醒我们一个设计小诀窍：工业设计师都会尽量避免明显的弯角和缺口，让物件能承受突来或持续的压力。有一个常见的解决方法是加上内圆角或毂板来分散压力。

内圆角和毂板可分散局部压力

内圆角和毂板成本并不高，因此不管如何都会添加，否则光凭我们目前的算式，根本无法评估必要性，反之还要动用艰涩的有限元素分析工具，所以最好养成添加这些舒压物件的习惯。

内圆角和毂板可加强外壳的耐冲击强度

既然如此，材质到底重不重要？

材质当然重要！不过想要提升承载能力，与其改用高阶原型材料，还不如实行这里所介绍的设计技巧，但若有先天不良的问题，例如基座不符合你的需要，那你就必须更常游走在临界边缘。

让我们来看看几种常见原型塑胶的属性，以及它们在生活中的用途。

     这个表格并不是绝对正确的，毕竟相同的聚合物也分成不同的等级，最终属性也会随着填充物、塑化剂等结构内部物质而改变，但这些数字至少让你对于承载能力有个基本概念。

     有趣的是，这些资料也透露出DIY专题材料的几个侷限，例如热熔挤制技术（FDM）常用的聚乳酸（PLA）本身就容易损坏，于是3D打印材料制造商会添加塑化剂或共聚物来提升冲击抗力，却可能大幅降低抗弯曲强度和坚硬度。

     低成本FDM制程经常使用聚乳酸（PLA）和ABS树脂，其所标榜的平均强度通常也会因为沈积过程而减弱：不管是黏合层、纤维丝厚度、沈积瑕疵，皆可能严重损害最终原型的表现。

      CNC业余玩家常用的材料也不一定比较好，高密度聚乙烯（HDPE）所制成的零件很轻薄，优点是弹性佳，缺点是不适合精密机械工程。另一种常见材料是有机玻璃，从各方面来看都是不凡的塑料，冲击抗力却低到不行，就连在加工过程中也存在应力开裂之虞。

总体来说，3D打印机和CNC业余玩家经常挑选低廉而常见的材料，因为其他更好的选择要不是难以取得，就是难以处理，这也是我大推CAD树脂铸制的原因，这让业余玩家能尽量趋近于现今工程塑胶的境界。

既然这样……该怎么比较铸制树脂？

    答案很简单：看情况。下列表格介绍一些热门的聚氨酯（polyurethane） 铸制树脂，外加两个有代表性的产品，以聚脂（polyester）和环氧（epoxy）树脂制成。

    本质上，锁定DIY玩家的铸制树脂，大多容易损坏或抗弯曲强度不足，但也不是没有优点，毕竟这类树脂通常容易处理，况且从艺术创作方面来说，机械属性并没有那么重要。

    市面上部分聚氨酯（polyurethanes）比尼龙等工程塑胶更好用，甚至逐步赶上超级聚（醚／醚／酮） （PEEK）。最重要的是，使用者不费吹灰之力，就能大幅调整铸制树脂的表现：例如添加磨碎的玻璃纤维，可提升抗弯曲强度、加倍弯曲系数，但可能有损冲击抗力。

结论

    设计零件不能单凭直觉，就连最简单的专题也需要大量的知识和实践经验。这也难怪DIY日常用品难敌工厂商品，不但不容易做起来，也没有想象中省钱。 高阶机械工程和材料科学可能吓跑不少人，但就算没有PRN计算器和计算尺，还是有不少单纯和直觉的构想能成功实现。当然，跟制造业取经，学会这些工业设计技巧，而不是把制造业当作夕阳产业，对我们是有所助益的。