Inom en iterativ process måste flera punkter bestämmas som varje steg i designprocessen kan jämföras mot. Dessa utgör grunden till den slutgiltiga formen och baseras på följande frågor:
- Form, vilken form ska skalet ha?
- Infill, vilken grad av ifyllning ska skalet ha?
- Modellfäste, hur ska modellen fästas i skalet?
- Låsmekanism, hur ska skalet hållas slutet?
Nästa segment beskriver den iterativa processen och den kunskap som uppnåddes av varje iteration baserad på ovanstående frågor.
3.4.1 Iteration 1
Modelmått 52x40x70 mm. 40 mm bas Skalform Rektangulär
Väggtjocklek 1 mm
Infill 15 %
Modellfäste Exakt passning av modelbasen, tolerans 0,2 mm Låsmekanism Cylindrar med motsvarande hål
För CAD-modell och verkligt resultat se bilaga A1.
Iteration 1 bygger på enkla principer, den betraktas som testet om produkten är rimlig och lönsam att tillverka. På grund av de tillämpade modellernas höga grad av variation grundas dimensionsmåtten på de största måtten i x, y respektive z riktning.
Iteration 1 visar att en rektangulär struktur är enkel att designa och tillverka. Modellfästet fungerar i praktik men passningstoleranserna var för små. Detta medför att komponenter eller modeller med känslig yta, såsom färglagda modeller, lätt skadas vid infästning och borttagning.
Utifrån detta ökas dessa toleransen för senare iterationer.
Väggtjockleken på 1 𝑚𝑚, som är basinställningen för vägtjocklek för den använda
skrivarmodellen, fungerar men visar noterbart dåliga egenskaper vid belastning. Även vid låg spänning deformeras skalet nog mycket att modellen påverkades.
För att infill ska ha en effekt måste avståndet mellan två väggar > 2 · 𝑉ä𝑔𝑡𝑗𝑜𝑐𝑘𝑙𝑒𝑘. Då mycket av skalets massa utgörs av tunna väggar är enbart botten byggd via infillmönster. Då denna yta stöds av själva modellen medför detta att infill inte hade stora påverkningar på den totala hållfastheten.
För denna iteration utnyttjar låsmekanismen MEs naturliga icke-släta yta. Detta görs via att cylindrar förs in i hål där den höga friktionen förhindrar skalet från att ovilligt öppnas. Denna mekanism ger dåliga egenskaper då även med en tolerans på 0,1 𝑚𝑚 krävs efterbehandling för att göra hålen större. Samtidigt observeras att denna design medför extrem känslighet vid motriktad belastning mellan de två skaldelarna som enkelt resulterar i sprickor vid basen av balken demonstrerade i bilaga A2.
3.4.2 Iteration 2
Modelmått 70x70x70 mm. 40 mm bas Skalform Semi-cirkulärt
Väggtjocklek Varierande, tunnast 1 mm
Infill 20 %
Modellfäste Exakt passning av modelbasen, tolerans 0,4 mm Låsmekanism Hål med separat cylinder
För CAD-modell och verkligt resultat se bilaga B.
Denna iteration skapas i avsikt att testa runda skal. Den rundade formen i kombination med noterbart tjockare skal visar via det fysiska resultatet betydligt förbättrade hållfasthetsegenskaper jämfört med det rektangulära skalet. Denna design ger dock två andra problem. På grund av den rundade formen måste det största modellmåttet agera som radie. Detta medför en mycket större skal än praktiskt tillämpbart om flera modeller i samma storleksordning ska transporteras.
Det andra problemet uppkommer i förhållande till ME systemet. Då skalet designas som ett tvådelat system måste, för rundade strukturer, kontaktytan mellan de två delarna agera som kontaktyta med arbetsytan. Detta resulterar i problem via att låsmekanismen kräver extra komponenter. För denna iteration används ett liknande system som iteration 1 där separata cylindrar agerade som lås. Detta resulterar i opålitliga resultat genom att både låscylindern och hålet byggs direkt på arbetsytan. Detta medför både dålig passning men även dålig bindesstyrka.
Samtidigt tillämpar denna design bara lås i den nedre delen av strukturen. Detta resulterar i att den övre delen av skalet lätt öppnas. Utifrån detta är det tydligt att fler lås måste tillämpas för att binda i både drag och skjuvriktning.
Figur 16, CAD-modell iteration 2
3.4.3 Iteration 3
Modelmått 70x50x75 mm 40 mm bas
Skalform Tunna
Väggtjocklek Varierande, tunnast 8 mm
Infill 20 %
Modellfäste Exakt passning av modelbasen, tolerans 0,6 mm Låsmekanism 3st sfärbaserade gångjärn
För CAD-modell och verkligt resultat se bilaga C1.
Denna iteration baseras på en tunnbaserad design. Designen medför en robust och extremt solid struktur även med 20 % infill. Den tunnbaserade formen resulterar dock i andra problem mycket i stil med iteration 2. Storlek utgör det större problemet. Vid rundade utrymmen måste det största dimensionen agera som huvudmått. Detta medför att strukturer tar mycket utrymme bara om en liten del av modellen avviker från centrumet. Detta motverkas via att fästet avviker något från centrum men är begränsad i hur mycket det kan hjälpa. Utifrån detta skapas senare iterationer på rektangulära strukturer.
Denna iteration ger även problemet med att kontaktytan mellan de två delarna utgör de första lagren. Som visas i bilaga C3 är det tydligt att ojämnheter mellan de två delarna uppstår, detta sker via små temperaturvariationer på arbetsplattan. Detta resulterar i att skalet ej pålitligt håller innehållet säkert för skadliga substanser, exempelvis vatten.
Den viktigaste designpunkten inom denna iteration är de sfärbaserade gångjärnlåsen, demonstrerat i bilaga C2 respektive C3. Den grundas på möjligheten för låsen att temporärt deformeras när de sättas på. Denna design medför betydligt förbättrade egenskaper vid radiell belastning och kräver ingen extra bearbetning för att användas. Från detta noteras två faktorer som påverkar denna mekanism. 3st lås medför att de två delarna lätt vrids för enkelt. Den tillämpade sfärgropen på 0,5 𝑚𝑚 resulterar även i en relativt dålig greppförmåga.
Samtidigt på grund av den låga storleken på gångjärnen är det fysiska resultaten känsliga mot ojämn nedkylning. Detta medförde att av de 12 producerade sprack 4 i kanten, bilaga. C4.
3.4.4 Iteration 4
Modelmått 65x65x65 mm 40 mm bas Skalform Rektangulär
Väggtjocklek 1 mm
Infill 100 %
Modellfäste Lägre än modellens bas, avrundad, tolerans 0,6 mm Låsmekanism 4st sfärbaserade gångjärn
För CAD-modell och verkligt resultat se bilaga D1.
Denna iteration återgick till en rektangulär form med 2st 6 𝑚𝑚 sfärbaserade lås på vardera sida.
Dessa nya lås skapas något tjockare och har ett djup på 0,75 𝑚𝑚. Se bilaga D2 respektive D3.
Detta resulterar i en mycket förbättrad bindestyrka. Den resulterande styrkan är nog hög för att låsen blir svåra att separera. Detta resulterar att modellen kan skadas då skalet kan plötsligt öppnas när låsen tas bort. Ett grepp måste därför tillämpas i senare iterationer.
För denna iteration testas även 100 % infill då sfärerna respektive stödstrukturerna är stora nog att påverkas. Trots 100 % visades inga skillnader i hållfastheten jämfört med tidigare iterationer.
Figur 18, CAD-modell iteration 4
3.4.5 Slutgiltig produkt, Iteration 5
Modelmått 110x100x 92 mm mm 80 mm bas Skalform Rektangulär
Väggtjocklek 2 mm
Infill 20 %
Modellfäste Som iteration 4, toleran på 0,5 mm Låsmekanism 6st sfärbaserade gångjärn
Iteration 5 är den slutgiltiga designen som tas fram baserat på tidigare iterationer. CAD-modellen skapas på ett sådant sätt att alla justerbara mått som modellens dimensionsmått och bastorlek kan lätt och effektivt ändras efter behov.
Efter att modellens mått definierats utförs hållfasthetstester via en simpel variant simulerad i ANSYS. Denna simulering baseras på de mest extrema krafter skalet kan rimligt utsättas för under transport. För detta väljs scenariot där skalet ligger nerpackat och får kanten av en 3kgs laptop mitt på de känsligaste ytorna, i mitten av långsidan respektive rakt ovanifrån direkt på öppningen mellan halvorna. Denna vikt approximeras som en punktlast på 3 · 9.82 ≈ 30 𝑁.
Resultatet av simulationen redovisas i bilaga E1. Notera att då PLA-plast inte en ett fördefinierat material i ANSYS kräves manuell definiering av materialegenskaperna. Detta medför någon grad av variation mellan simulation och verklighet.
Simulationen visar att vid den antagna belastningen ovanifrån skulle modellen påverkas. Detta visar att en högre tjocklek krävs. Skaltjockleken ökas till 2 𝑚𝑚 samtidigt som supportbalkar tillämpas för att minska risken att de nedre lagren bryter loss, en form av haveri unikt för grövre additivt skapa former. se bilaga E2.
Figur 19, CAD-modell iteration 5
För denna beräkning approximeras gångjärnets gap som fast inspända balkar där elementarfall kan tillämpas samt symmetri i låsets design utnyttjas.
Full beräkning demonstreras i bilaga E4. Följande är en kort summering av beräkningarna. De använda materialparametrarna togs via CES Edupack samt tillämpas elementarfall 31.1 ur Handbok och formelsamling i Hållfasthetslära.[46] Med samma mått som användes för låset i iteration 4 beräknas den högsta möjliga spänningen som uppkommer då låset böjs ut för att sfären ska sätt i, maximalt 0,75 𝑚𝑚 med en säkerhetsfaktor på 1.5. Detta resulterar i tjockleken 0,200 𝑚𝑚. Denna storlek är problematiskt då den är hälften av den minimalt möjliga strukturen som kan användas, nog liten att Cura inte klarar av att skapa designen. Se bilaga E5 för exempel.
På grund av detta måste låset skapas i en storleksordning där balkapproximationer ej är
tillämpbara. Samtidigt med den höga risken att låset utvecklar interna spänningar utförs två tester för att förbättra låset.
Den första testet undersöker om låset kan skapas via ett mer gummiliknande material. Detta försök visade svagheterna av ME. På grund av gummimaterials svårbearbetade egenskaper där både tillförsel till extruderhuvudet och platformsfästande utgör stora problem kräver det stora modifikationer på skrivaren för att användas och utesluts därför för detta arbete.
Istället för gummi baserades låset på iteration 4s design som uppvisade bra egenskaper. Då problem med sprickbildning sker på grund av spänningskoncentrationer i den skarpa kanten tillämpas hål, lika djup som sfären, vid gapkanten. Denna form medför att spänningar sprids ut över en större yta. För jämförelse skapades lås med den minsta möjliga storleken för att
undersöka om hållfasthetsberäkningen fortfarande till viss del gällde. Av de 15 som skapades havererade 10. Av de 15 som skapades något tjockare och med håldesignen havererade enbart 1.
Med detta anses produktens mekaniska egenskaper som tillfredställande. Slutgiltig CAD modell och fysiskt resultat visas i bilaga E6 respektive E7