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我們的案例
2021-01-08
雙穩態液晶膜產品設計制造KAPI實踐項目
(圖示按順序為底板、中間板、蓋板)整體裝配圖、爆炸圖如下:
底座的位移云圖
摘要:本次雙穩態液晶產品設計制造訓練中,我們小組決定從可折疊和曲面造型為出發點,設計并制造了兩款手寫板產品,并對其分別進行了ansys分析,制造過程中發現了許多設計與制造結合上的缺陷,收獲了很多經驗.
一、方案的提出
項目啟動前,經我們小組討論,有兩個可行方案,其一是圍繞曲面造型,其二是圍繞折疊式手寫板,經過權衡,考慮到我們組有三名隊員,我們決定把兩個方案同時進行下去,即使一個方案沒有實現也還能有另一個方案.
二、構思與建模
A.曲面手寫板
曲面手寫板我們最想得到的效果是其空間立體感,即外觀上的視覺沖擊.初步設想是一個弧面(圖示)整體外觀有了便設計細節,首先想到的是筆的放置問題,考慮到該手寫板的弧形外觀會造成底部會有比較大的空間,正好可以放置手寫筆同時不會影響到外觀.
為了有放置電池電路板的空間,我們采用夾層式設計,即在這個底板上加一個蓋板,中間的部分可以放置液晶膜、電池板等電路元件.(圖示)
B.折疊式手寫板
折疊式手寫板我們的最大期望是使其最大限度的接近工業產品.由于時間問題,考慮到加工的設備有限,我們沒有花太多時間在設計新奇外觀.兩塊板采用長方形鏡像設計,主體各由三塊板組成.第一塊是外殼,使整個產品可以有完好的外觀;第二塊是中間板,用以承受主要壓力以及放置電路板、液晶膜等電路元件.第三塊為蓋板,用于固定電路元件.
(圖示按順序為底板、中間板、蓋板)整體裝配圖、爆炸圖如下:
三、加工工藝的選擇
由于曲面造型金屬加工有較高的難度與工藝成本,我們的曲面手寫板不考慮用金屬加工來做.考慮到3D打印的靈活性,曲面手寫板主要采用3D打印工藝,將整個手寫板分為三塊進行分別打印,依靠摩擦進行緊固.
而對于另一塊折疊式手寫板,鑒于我們主要以工藝性為主要設計目的,我們采用鋁合金制作其底板和蓋板,使其整個外觀更加整潔,具有金屬質感.中間板主要為平面加工,考慮到激光加工平面加工的方便性,中間一塊設定為亞克力板.而對于折疊鉸鏈、電池槽、筆槽等細小且形狀復雜的零件一律考慮用3D打印工藝.
零件細節圖示:
(從左到右依次為鉸鏈、電池槽、筆槽)
四、成品展示
(曲面造型手寫板)
(折疊式手寫板 折疊狀)
(折疊式手寫板 展開狀)
五、仿真分析
首先對于我們組第一塊手寫板來講,由于曲面的存在,金屬加工的難度較大,所以我們組成員決定用3D打印來制造第一塊手寫板的基體、按鈕以及蓋板.
我們從網上找到3D打印材料的楊氏模量、泊松比和密度,自定義到材料庫中,方便我們之后對手寫板進行受力分析.
ABS材料屬性
之后我們將用SOLIDWORKS建好的模型另存為x_t文件,讓后將模型導入到ansys中,在ansys的建模軟件中對模型進行細微的修改,簡化一下模型,縮短之后的有限元分析時間.
首先我們先對手寫板的基體進行受力分析,看看在不加其它物體的情況下,自身是否能承受一定的力而保持變形量很小,試驗一下在底座的哪個地方是變形比較嚴重的點、應力比較大的點.
Ansys中導入的模型
之后我們將模型的四個支點進行固定,然后對整個模型施加重力,重力加速度設為9.8m/,再對底座的上表面施加3000Pa的壓力,看看在模型受壓力和重力的情況下會不會發生大變形能不能承受住這么大的壓力.
設定的分析條件
底座的位移云圖
底座的應力云圖
可以通過最后的結果圖發現,底座的最大位移出現在底座的中心處,位移量為1.86mm,數值上是比較小的;最大應力值出現在底座的四個支撐點上,最大應力值為19.86MPa,而工程abs塑料的許用應力值為24.5MPa.可以看出即使在3000Pa的壓力作用在整個面下,底座仍然能承受.那么在通常在手寫板上寫字的時候,底座仍然能承受住壓力,不會產生較大變形.但是有一點需要注意:由于底座是靠4個支點支撐,所以底座上不能放置太重的物體,以免支點上的應力大于abs的許用應力,致使底座變形.
既然底座在一般狀況下是可以使用的,那么我們將裝配體導入ansys,對裝配體進行模態分析,最后用在手寫板加載1—5Hz的諧載荷來模擬寫字、畫圖狀態下,手寫板會不會出現松動.
將裝配體導入后,我們首先將蓋板和底座的接觸設為摩擦接觸,摩擦系數設為0.3.其它地方的接觸由于不是關鍵部位,所以就直接設為主體接觸,不設置摩擦.
緊固部分設計為摩擦接觸
然后對手寫板進行模態分析.
將模型的四個支點固定后,對整個模型進行模態分析,計算出手寫板的固有頻率,通過這個基礎,再向手寫板平面上施加頻率為1—5Hz、大小為30N的諧載荷,觀察形變.用以模擬人在手寫板上寫字的時候,手寫板的變形情況.
諧載荷分析模型
手寫板的固有頻率
5Hz諧載荷響應表 5Hz諧載荷響應圖
從上面的諧載荷分析結果可以看出,在30N的諧載荷作用下,手寫板平面的變形時很小的,最大只有0.00412mm,在平時的使用中,基本不會影響使用者的體驗.
對于折疊式手寫板所材料屬性也都大同小異,所加載荷為底板固定,上面給一個壓力載荷.從結果可見手寫板完全承受在正常使用情況下所受的力.
(整體應變云圖)
(整體位移分析)
五、設計亮點舉例
本次項目里面的折疊式手寫板主要是由我設計并加工的,因此這里主要談折疊手寫板的設計亮點.
(1)折疊板的閉合與展開方式. 最初我的設想是采用門閂結構,將兩塊板當作門,手寫筆當作閂,手寫板閉合,可將筆插入,完成鎖緊.后期考慮到功能實現所需要的制造精度與難度都相對較高,該方案未能實現.
最后采用的是磁鐵吸附的方式,模型中板兩側的圓形沉孔用于放置磁鐵,磁鐵吸附的優點在于可重復使用率高,且操作方便,該功能得以完美實現.
2)可更換電池設計. 在兩塊板的內側設有電池槽,電池槽的孔位結構如圖:
,電池槽上半部分有一個V形槽,允許一定量的形變,頂端有一個圓形突出,用于將電池槽固定于板內,需要更換電池的時候只需要按壓V形槽,使其發生形變,就能將電池槽取出.
(3)筆架設計 這塊折疊式手寫板我們并沒有沿用形變式卡槽設計,而是利用其蓋合特性設計了一個筆槽,兩塊板閉合的時候能夠把筆牢牢卡住.同時展開手寫的時候筆槽也能暫時放筆.
七、遇到的困難與不足
這兩塊板的加工過程也并不是一帆風順的,相反,我們在加工制造中遇到了很多的困難.
第一大困難是加工精度問題.最為明顯的是3D打印,所打印的產品表面精度難以達到預期需求,激光加工也存在較大誤差.這些存在的精度問題最終導致了裝配過程中的配合問題,在solidwork裝配圖里面可以實現完美配合的尺寸實際制造出來后根本無法實現配合,這是由于考慮的余量不夠,特別是對于零部件比較多的折疊式手寫板,尺寸修改了多次才成功配合.對于曲面手寫板,更是經過多次磨削才使表面質量勉強過得去.
第二大困難是電路板的連接問題.由于我們需要把電路板和電池舒適地放置在槽中,我們把電路板進行了稍微的改造,用導電帶實現正負極連接,使電池得以平放.然而由于電路板與液晶膜極其敏感脆弱,研究如何連接才能使其正常工作花了我們較長時間,甚至燒壞了不止一塊電路板.
第一個不足在于電池槽的設計由于最終配合時電池與電路板出現一點擾動都會失靈,最終放棄了電池槽的裝配,沒能實現隨時更換電池的功能.
二是由于沒有時間讓我們去做陽極氧化,我們只得用絕緣膠帶進行絕緣處理.
三是設計上不夠完美和新穎.比如鉸鏈的設計,比較的常規,膜的形狀比較單一,兩塊板加在一起會比較的重,也即輕量化設計方面我們仍有較大未考慮到的余量.
(電路板內部結構圖)
八、 感悟與展望
這次手寫板的制造過程我的收獲非常多.畢竟這是第一次從結構設計、工藝選擇到具體項目規劃都自主完成的產品制造,而且我認為我們組的成品效果都比較不錯.
很多細節上的東西,比如我為了提高3D打印的表面精度曾請教過老師,知道了較小零件的表面質量是可以通過調節打印速度、材料密度、結合方式等來保障的.比如設計的時候一定要留下充足的加工余量,同時也要考慮到材料強度要求.比如鋁合金加工的時候可以使用適量的筋結構減小加工的形變量.
看到了3D打印技術存在的不足,比如打印效率以及加工精度,這也是未來打印機的可發展方向.
板的設計有許多可改進的地方,如將鉸鏈設計為隱藏式的,將兩塊屏幕拼接在一起、板的外形新穎化和輕量化設計等等.有些設計上面的靈感我們應該多觀察網絡上前輩們的設計以汲取經驗.
對于功能方面,手寫板的功能有待開發.我們目前只能實現黑白的擦寫,這與一塊普通筆記本無異.未來若有條件,我會考慮加裝藍牙設備,與電子設備連接,實現實時儲存,同時可加一些輔助書寫的網格于手寫膜表面.最期待的則是對于手寫板的核心——雙穩態液晶手寫膜的研究,實現手寫板的彩繪功能.
最后對于給與我們實習機會以及配合我們加工的全體老師表示由衷的感激.
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