So entwirft man Steifigkeit: Ein Leitfaden zur Verwendung von Materialeigenschaften für eine bessere Teilesteifigkeit

Die meisten defekten Teile zerbrechen nicht in zwei Stücke. Stattdessen versagen sie, weil sie sich zu stark biegen, verbiegen oder ihre Form verändern. Sie sind einfach nicht steif genug. Dieser Artikel ist mein Leitfaden, der Ihnen helfen soll, diesen häufigen Fehler nicht zu machen. Wir werden uns ansehen, wie man auf Steifigkeit ausgelegt. Wir werden dies tun, indem wir die richtigen Materialeigenschaften und die richtige Teileform auswählen. Wenn Sie jemals ein Teil hergestellt haben, das sich schwach anfühlte oder sich verbog, wenn Sie es belastet haben, ist dieser Artikel für Sie. Ich zeige Ihnen die einfachen Ideen, mit denen Sie ein stärkeres und steiferes Teil herstellen können.

Was sind die Grundlagen von Steifigkeit und Starrheit?

Beginnen wir mit den einfachen Dingen. Was ist Steifigkeit? Einfach ausgedrückt ist Steifigkeit ein Maß dafür, wie stark sich ein Teil gegen das Biegen oder Verändern seiner Form wehrt, wenn man daran drückt oder zieht. Dieses Drücken oder Ziehen wird als Last bezeichnet. Denken Sie an ein Kunststofflineal. Wenn man darauf drückt, biegt es sich. Wie stark es sich durch diese Last biegt, zeigt, wie steif es ist. Ein wirklich steifes Teil bewegt sich kaum. Ein biegsames Teil zeigt eine starke Verformung.

Es ist sehr wichtig zu wissen, dass Steifigkeit nicht dasselbe ist wie Festigkeit. Die Festigkeit oder Streckgrenze gibt an, wie viel Last ein Teil aushalten kann, bevor es bricht. Oder bevor es sich biegt und verbogen bleibt. Bei der Steifigkeit geht es um vorübergehendes Biegen, das wieder in den Normalzustand zurückkehrt. Dies wird als elastische Verformung bezeichnet. Ein steifes Teil will diese Art von Verformung nicht. Ein Teil kann sehr fest, aber nicht sehr steif sein. Denken Sie an ein Stahlseil. Es kann eine sehr schwere Last tragen, ohne zu brechen (das ist hohe Festigkeit). Aber es ist überhaupt nicht steif. Wenn wir auf Steifigkeit auslegen, ist unser Hauptziel, diese unerwünschte Formveränderung zu stoppen oder zu verringern, wenn eine Last auf das Teil wirkt.

Warum ist die Auslegung auf Steifigkeit so wichtig?

Ich habe gelernt, dass Steifigkeit für viele Aufgaben sehr wichtig ist. Denken Sie an ein Bücherregal. Sie möchten, dass es Ihre Bücher hält, ohne sich in der Mitte durchzubiegen. Das Regal muss nicht stark genug sein, um ein Auto zu tragen. Aber es braucht genügend Teilesteifigkeit, um die Last der Bücher ohne große Durchbiegung zu tragen. Wenn es sich durchbiegt, funktioniert es nicht richtig, auch wenn es nicht kaputt ist. Dies ist ein Problem mit der Steifigkeit, nicht mit der Festigkeit.

Diese Idee gilt für viele Dinge. Im Rahmen eines Autos ist eine hohe Steifigkeit erforderlich, damit das Auto gut fährt und die Struktur sicher ist. In einem CNC-Bearbeitung Werkzeug muss die Struktur extrem steif sein, damit es sehr genaue Schnitte machen kann. Wenn sich das Schneidwerkzeug durch die Last nur ein wenig bewegt, ist das hergestellte Teil falsch. Wenn Sie eine Komponente belasten, ist es äußerst wichtig, dass sie ihre Form behält. Wenn Sie die Steifigkeit vergessen, funktioniert Ihr Teil möglicherweise nicht gut oder es versagt vollständig. Die Struktur verformt sich und kann ihre Aufgabe bei normaler Belastung möglicherweise nicht erfüllen.

Wie findet man die Steifigkeit eines Materials heraus?

Wie können wir also herausfinden, wie steif ein Material an sich ist? Wir verwenden dafür eine spezielle Zahl. Sie wird als Elastizitätsmodul bezeichnet. Sie ist auch als Young-Modul bekannt. Ich weiß, es klingt vielleicht schwierig, aber die Idee ist einfach. Der Elastizitätsmodul ist eine Zahl, die angibt, wie steif ein Material ist. Eine größere Zahl für den Elastizitätsmodul bedeutet, dass das Material steifer ist. Dies ist eine der wichtigsten Materialeigenschaften, die wir uns ansehen.

Um es zu verdeutlichen, sehen wir uns den Modul für einige Materialien an, die häufig verwendet werden. Der Modul wird üblicherweise in Pfund pro Quadratzoll oder PSI gemessen. Eine größere Zahl bedeutet, dass es schwieriger ist, die Form zu verändern.

Wie Sie sehen, ist der Unterschied sehr groß! Der Modul für Stahl ist viel höher als der Modul für Nylon. Das bedeutet, wenn Sie die gleiche Form und die gleiche Last haben, biegt sich ein Stahlteil viel weniger als ein Nylonteil. Der Elastizitätsmodul ist eine sehr wichtige Eigenschaft, über die Sie nachdenken müssen.

Welche Rolle spielt die Materialauswahl?

Der erste und einfachste Weg, ein Teil steifer zu machen, ist die Auswahl des richtigen Materials. Dies wird als Materialauswahl bezeichnet. Wenn Ihr Design eine hohe Steifigkeit aufweisen muss, sollten Sie zunächst nach Materialien mit einem hohen Elastizitätsmodul suchen. Die Verwendung eines Materials mit einem größeren Modul ist oft der einfachste Weg, die Steifigkeit einer Komponente zu erhöhen. Wenn beispielsweise ein Teil aus einer Aluminiumlegierung zu biegsam ist, wird es sofort etwa dreimal steifer, wenn man zu Stahl wechselt.

Die Wahl, die Sie treffen, verändert alles. Wenn Sie ein Teil benötigen, das leicht, aber auch sehr steif ist, könnten Sie sich etwas wie einen Kohlefaserverbundwerkstoff ansehen. Kohlefaser hat einen sehr hohen Modul für sein geringes Gewicht. Aber es kostet auch viel Geld. Wenn Sie ein einfaches Teil mit einem Spritzguss herstellen, könnten Sie anstelle eines normalen Nylons ein glasfaserverstärktes Nylon wählen, um die Steifigkeit zu erhöhen. Die Materialeigenschaften, die Sie auswählen, sind wie die Bausteine für Ihr Design. Die Wahl des falschen Materials kann ein großes Problem verursachen, das später schwer zu beheben ist. Wir müssen zuerst herausfinden, was wir brauchen, um das richtige Material auszuwählen.

Kann ein Materialauswahl-Assistent hilfreich sein?

Wie wählt man bei so vielen verfügbaren Materialien eines aus? Vor langer Zeit habe ich viele Stunden damit verbracht, in großen, dicken Büchern zu suchen. Jetzt haben wir das Glück, hilfreiche Werkzeuge zu haben. Ein Materialauswahlassistent ist eine Art Computerprogramm, das einem Ingenieur hilft, das beste Material für eine Aufgabe zu finden. Sie können dem Programm mitteilen, welche Materialeigenschaften Sie suchen.

Sie können dem Materialauswahlassistenten beispielsweise mitteilen: „Ich benötige ein Material für ein Teil aus einem Spritzguss. Es benötigt einen Elastizitätsmodul von über 1.000.000 PSI und eine Streckgrenze von mindestens 8.000 PSI.“ Das Programm zeigt Ihnen dann eine Liste von Kunststoffen, wie z. B. einem glasfaserverstärkten Nylon, die Ihren Anforderungen entsprechen. Das spart viel Zeit. Es hilft Ihnen auch, neue Materialien zu finden, von denen Sie nichts wussten. Es hilft Ihnen, das allerbeste Material zu finden, um seine Form unter einer bestimmten Last nicht zu verändern.

Wie nutzen Sie die Idee des Trägheitsmoments?

Dieser nächste Teil ist mein Favorit. Das Material, das Sie verwenden, ist nur ein Teil der Antwort. Der andere Teil ist die Form des Objekts! Die „Steifigkeit der Form“ wird durch etwas erklärt, das als Trägheitsmoment bezeichnet wird. Dies ist eine sehr grundlegende und wichtige Idee. Lassen Sie mich Ihnen zeigen, was ich meine. Nehmen Sie ein Lineal und legen Sie es flach über zwei Bücher. Drücken Sie in die Mitte. Es biegt sich leicht, nicht wahr? Stellen Sie das Lineal nun auf seine schmale Kante und drücken Sie mit der gleichen Last nach unten. Es ist viel schwieriger, es zum Biegen zu bringen.

Dies zeigt, wie das Trägheitsmoment funktioniert. Das Lineal besteht aus dem gleichen Material (hat also den gleichen Elastizitätsmodul). Es hat in beiden Aufbauten die gleiche Materialmenge. Aber die Form und die Art, wie es zur Last ausgerichtet ist, haben sich geändert. Eine Form, die hoch und dünn ist, ist viel steifer als eine, die kurz und breit ist, wenn die Last nach unten drückt. Die Formel für das Trägheitsmoment eines einfachen Rechtecks zeigt, dass die Höhe sehr wichtig ist. Das bedeutet, wenn Sie die Höhe eines Balkens entlang der Lastachse verdoppeln, wird er achtmal steifer! Dies ist eine großartige Möglichkeit, die Teilesteifigkeit zu verbessern, und Sie müssen nicht viel Gewicht hinzufügen.

Wie beeinflusst die Form eines Teils das Biegen?

Lassen Sie uns nun diese Ideen zusammenführen. Wie steif ein Teil am Ende ist, hängt von zwei Dingen ab: dem Elastizitätsmodul des Materials und dem Trägheitsmoment des Teils. Wie stark sich ein Teil unter einer Last biegt, steht in direktem Zusammenhang mit diesen beiden Dingen. Eine einfache Möglichkeit, dies zu verstehen, ist eine Faustregel: Die Steifigkeit eines Teils ist direkt an seinen Modul multipliziert mit seinem Trägheitsmoment gebunden. Um etwas weniger zu biegen, können Sie eines von beiden vergrößern.

Wenn Sie einen Balken mit einer Last darauf haben, haben Sie zwei Möglichkeiten, ihn steifer zu machen. Erstens können Sie ein Material mit einem höheren Modul verwenden. Sie können beispielsweise von Kunststoff zu Stahl wechseln. Zweitens können Sie die Form und Größe des Balkens ändern, um sein Trägheitsmoment zu vergrößern. Sie können beispielsweise den Balken tiefer machen. Ein guter Ingenieur verwendet beide Ideen, um ein Design zu verbessern. Sie verändern die Struktur, um die besten Ergebnisse für die niedrigsten Kosten und das geringste Gewicht zu erzielen. Es ist in der Regel billiger, die Form zu ändern, als ein Material zu verwenden, das mehr Geld kostet, wie z. B. eine Kohlenstofflegierung.

Was ist Finite-Elemente-Analyse (FEA) und wann sollten Sie sie verwenden?

Bei Teilen mit kniffligen Formen ist es schwierig, die Biegung und Spannung nur durch Rechnen herauszufinden. Hier verwenden wir ein starkes Computerwerkzeug namens Finite-Elemente-Analyse oder FEA. Ich verwende FEA sehr oft, um meine Designs zu überprüfen. Mit FEA kann ein Ingenieur ein 3D-Modell einer Komponente auf dem Computer erstellen. Dann kann der Ingenieur es am Computer testen, bevor er ein echtes herstellt.

In einer FEA-Studie legen Sie eine Last auf das Computermodell. Das FEA-Programm berechnet dann, wie die Struktur ihre Form verändern wird. Es zeigt Ihnen auch die Bereiche mit hoher Spannung. Das Ergebnis ist in der Regel ein Bild mit Farben. Rot kann beispielsweise eine hohe Spannung oder eine starke Durchbiegung anzeigen, und Blau kann eine niedrige Spannung anzeigen. Dies ist eine großartige Möglichkeit, zu „sehen“, was Ihr Teil tun wird. Sie können eine FEA-Studie verwenden, um schnell verschiedene Materialien und Formen auszuprobieren. Ein FEA-Tool ist ein wichtiger Bestandteil, um eine komplexe Struktur zu verbessern und die Belastung zu reduzieren. Es ist ein sehr wichtiger Bestandteil des modernen Designs für Steifigkeit.

Wie können Sie diese Ideen in einem realen Beispiel anwenden?

Nehmen wir an, wir stellen eine Kunststoffhalterung mit einem Spritzgussverfahren her. Die Halterung soll ein kleines Regal halten. Die erste, die wir aus Standard-Nylon hergestellt haben, biegt sich zu stark durch, wenn wir sie belasten. Die Durchbiegung ist zu groß. Was sollen wir tun? Wir verwenden die Ideen, über die wir gesprochen haben.

Sehen wir uns zunächst unsere Materialauswahl an. Unser normales Nylon hat einen niedrigen Modul. Wir können zu einem glasfaserverstärkten Nylon wechseln. Dieses Material hat einen viel höheren Elastizitätsmodul. Dies macht die Komponente steifer. Zweitens ändern wir die Form, um das Trägheitsmoment zu verbessern. Wir können der Halterung dünne Wände, sogenannte Rippen, hinzufügen. Rippen machen das Teil tiefer und steifer entlang der Lastachse, verbrauchen aber nicht viel mehr Material. Drittens können wir eine schnelle FEA-Studie durchführen. Wir können sowohl das neue Material als auch die neuen Rippen in unserem FEA-Programm modellieren. Wir wenden die gleiche Last an, und die FEA-Ausgabe zeigt uns die neue, kleinere Durchbiegung. Dieser FEA-Prozess hilft uns sicherzustellen, dass unser Design gut ist, bevor wir Geld für ein neues Spritzgusswerkzeug ausgeben.

Wie finden Sie endlich das beste Design?

Woher wissen wir, wann unser Design fertig ist? Unser Ziel ist es, das allerbeste Design zu finden. Das bedeutet ein Design, das steif genug ist, aber auch so wenig wie möglich kostet und so wenig wie möglich wiegt. Um dies herauszufinden, müssen Sie zuerst Ihr Ziel festlegen. Für die Regalhalterung könnte unser Ziel sein: „Die Halterung darf sich bei einer Belastung von 20 lbf nicht mehr als 0,1 Zoll biegen.“

Sobald wir dieses klare Ziel haben, können wir FEA verwenden, um verschiedene Ideen auszuprobieren.

• Idee 1: Verwenden Sie einen Kunststoff, der mehr kostet, aber eine hohe Steifigkeit aufweist, mit einer einfachen Form.
• Idee 2: Verwenden Sie das billigere Nylon, fügen Sie aber Rippen hinzu, die eine komplexe Form haben.
• Idee 3: Verwenden Sie ein Teil aus einer Aluminiumlegierung, das mit CNC-Bearbeitung hergestellt wird.

Wir können für jede Idee eine FEA durchführen. Für jedes Design ermitteln wir, wie gut es funktioniert und wie viel es kostet. Das beste Design ist das, das unser 0,1-Zoll-Biegeziel erreicht und am wenigsten kostet. Es ist die Aufgabe eines Ingenieurs, eine gute Mischung zwischen diesen Dingen zu finden. Die Verwendung von FEA hilft uns, auf der Grundlage guter Informationen weise zu wählen. Es hilft uns, eine Struktur zu erstellen, die die Last tragen kann, für die sie bestimmt ist. Darum geht es bei guter Ingenieurskunst und gutem Design für Steifigkeit.

Key Takeaways to Remember

Hier sind die wichtigsten Dinge, die ich über das Design für Steifigkeit unter Verwendung von Materialeigenschaften gelernt habe.

• Steifigkeit ist nicht Festigkeit: Vergessen Sie nicht, Steifigkeit bedeutet, dass es sich selbst vor dem Biegen (Verformung) schützen kann, wenn eine Last vorhanden ist. Festigkeit bedeutet, dass es sich selbst vor dem Brechen schützen kann.
• Material ist wichtig: Sie können feststellen, wie steif ein Material ist, anhand seines Elastizitätsmoduls. Ein größerer Modul bedeutet, dass das Material steifer ist.
• Form ist sehr wichtig: Die Form eines Teils, die wir als seine Geometrie bezeichnen, ist genauso wichtig wie das, woraus es besteht. Eine großartige Möglichkeit, ein Teil steifer zu machen, besteht darin, es tiefer zu machen.
• Verwenden Sie neue Werkzeuge: Betrachten Sie die Finite-Elemente-Analyse (FEA) als einen hilfreichen Freund. Verwenden Sie FEA, um Ihre Designs auf einem Computer zu testen, um zu sehen, wie sie sich unter einer Last verändern, bevor Sie das echte Ding bauen.
• Mischen und verbessern: Die besten Designs verwenden eine Mischung aus einer guten Materialauswahl und einer wirklich guten Form. Dies hilft Ihnen, die Steifigkeit zu erreichen, die Sie benötigen, während Sie die Kosten und das Gewicht niedrig halten. Verwenden Sie immer diese grundlegenden Ideen, um Ihre Designs zu verbessern.