Afschuiningen in productontwerp | Serie productontwerp

Bij productontwerp bepalen details vaak het succes of falen van een product. Hoekaanpassing, een ogenschijnlijk klein ontwerpelement, speelt in feite een cruciale rol. De meest gebruikte hoekmodificaties zijn onderverdeeld in fileren en afschuinen.

Ontwerpen met hoeken en afschuiningen is een van de essentiële vaardigheden voor productontwerpers. In vergelijking met scherpe hoeken zijn ontwerpen met hoeken en afschuiningen gebruiksvriendelijker, visueel gladder en beter in staat om de eenvoud en schoonheid van een product te laten zien. Bovendien kan het creatieve gebruik van vullingen en afschuiningen je product laten opvallen.

Vandaag hebben we het over fillets en afschuiningen in productontwerp, met veel afbeeldingen van fillets aan het einde van het artikel.

Wat zijn filets en afschuiningen?

Fileerwerk verwijst naar het verbinden van twee gebogen oppervlakken van een onderdeel met een cirkelvormig raakvlak. De standaard filet wordt meestal voorgesteld met een radiuswaarde R om de grootte aan te geven.

Afschuinen verwijst naar het verbinden van twee gebogen oppervlakken van een onderdeel met een schuin oppervlak. De standaard afschuining wordt meestal weergegeven door een afstandswaarde C om de grootte aan te geven, waarbij de standaardhoek 45° is.

In productontwerp zijn beide het proces van het snijden van een afgeschuinde rand op de hoeken of randen van een object. Deze afgeschuinde overgang kan recht of gebogen zijn, afhankelijk van de ontwerpvereisten en functionele doeleinden.

Functies van afschuiningen en filets in producten

Veiligheid:

Afschuiningen en vullingen kunnen de scherpte van productranden verminderen, zodat gebruikers zich niet kunnen verwonden tijdens het gebruik. Dit is vooral belangrijk bij het ontwerp van handapparaten of kinderspeelgoed.

Esthetiek:

Goed afschuinen of fileren kan het uiterlijk van het product verbeteren en de lijnen gladder maken.

Ergonomie:

Bij het ontwerp van draagbare apparaten of gereedschappen kunnen afschuiningen of vullingen de grip verbeteren, waardoor het product gemakkelijker te hanteren is en de gebruikerservaring toeneemt.

Duurzaamheid:

Afschuiningen en vullingen helpen spanningsconcentratie te verminderen, waardoor de kans op materiaalbreuk op deze plekken afneemt en de levensduur van het product wordt verlengd.

Montage vereenvoudigen:

Wanneer verschillende onderdelen van een product op elkaar moeten passen, kunnen afschuiningen en vullingen als geleiders dienen, zodat de onderdelen correct op elkaar passen, het assemblageproces eenvoudiger wordt en de productie efficiënter verloopt.

Consistentie in ontwerptaal:

Afschuiningen en vullingen kunnen deel uitmaken van de ontwerpelementen, waardoor een uniforme stijl ontstaat met andere kenmerken zoals afgeronde hoeken en rondingen, wat de merkherkenning van het product vergroot.

Verschillen tussen filets en afschuiningen

Zowel vullingen als afschuiningen kunnen worden gebruikt om scherpe randen af te vlakken of om een geleidelijke overgang te creëren tussen twee aangrenzende oppervlakken. In dit opzicht zijn ze uitwisselbaar. In veel toepassingen zijn er echter duidelijke verschillen tussen fillets en afschuiningen.

1. Verwerkingsmethoden

Voor standaardbewerking kunnen verticale binnen- en buitenvullingen gemakkelijk worden bewerkt, terwijl binnenafschuiningen dat niet kunnen. Vullingen hebben specifiek gereedschap nodig om verschillende radiusgroottes te verkrijgen (het is een goede gewoonte om een grotere radius te hebben dan de gereedschapsradius in het bewerkingsproces). Afschuiningen hebben daarentegen geen specifiek gereedschap nodig; afkantingen van verschillende afmetingen kunnen gemaakt worden door de snedediepte te regelen.

Horizontale binnen- en buitenvullingen vereisen meer bewerkingstijd (tenzij er speciaal gereedschap voor vullingen wordt gebruikt), terwijl afschuinen veel minder tijd kost.

Het is belangrijk om op te merken dat voor CNC-bewerking, De verwerkingstijd voor filets en afschuiningen is vergelijkbaar.

2. Functionaliteit

Zowel vullingen als afschuiningen kunnen spanningsconcentratie verminderen en de vloei optimaliseren. Vullingen zorgen echter voor een continue overgang, terwijl afschuiningen zorgen voor een lineaire overgang, waarbij een rand overblijft na het afschuinen. Vergeleken met afschuiningen bieden fillets een lagere spanningsconcentratie en minder stromingsweerstand, waardoor ze de voorkeur genieten in kunststof onderdelen, tenzij de randen van de afschuining verder worden gefreesd.

Als je ontwerp echter schroefgaten, positioneergaten of positioneerpennen bevat, is het gebruik van vullingen geen goede keuze. In vergelijking met vullingen kunnen afschuiningen met kleinere, scherpere randen helpen om soepeler door het gat te bewegen, waardoor montage eenvoudiger wordt.

Bovendien kunnen afschuiningen conische verzinkborenwat filets niet kunnen.

3. Esthetiek

Vanuit esthetisch oogpunt genieten filets vaak de voorkeur in industrieel ontwerp vanwege hun visueel aantrekkelijke eigenschappen. Vullingen zijn zacht en comfortabel en geven een gevoel van veiligheid en nabijheid. Afschuiningen daarentegen geven een scherp, agressief gevoel. In consumentenproducten worden zelden grote afschuiningen gebruikt, maar afschuiningen kunnen in bepaalde details een uniek uiterlijk creëren en zo de finishing touch geven.

Afhankelijk van de ontwerpeisen kun je zowel vullingen als afschuiningen gebruiken voor buitenkanten. Als het uiterlijk niet belangrijk is, zoals bij bewerkte metalen onderdelen, kun je kiezen voor eenvoudige afschuiningen om scherpe randen af te vlakken en zo de kosten van het onderdeel te verlagen.

Aan de andere kant, als esthetiek belangrijk is en fillets noodzakelijk zijn, moet je rekening houden met de radiusgrootte van de binnenste fillet. Als de radius te klein is, heb je mogelijk duurdere en tijdrovende processen nodig zoals EDM of draadsnijden. Grotere radii zijn gemakkelijker te bewerken (er kunnen grotere gereedschappen gebruikt worden, waardoor de bewerkingstijd korter wordt en de bewerkingsdiepte toeneemt).

Overwegingsfactoren bij de keuze tussen filets en afschuiningen

Constructeurs bevinden zich vaak in onzekerheid wanneer ze moeten beslissen of ze vullingen of afschuiningen moeten gebruiken in hun ontwerpen. Om deze verwarring te voorkomen, moeten de volgende punten overwogen worden:

Voor machinaal bewerkte onderdelen

Verwerkingstijd en -kosten

Als het doel alleen is om scherpe randen af te stompen om letsel te voorkomen, dan zijn afkantingen een betere keuze omdat ze minder tijd kosten en kosteneffectiever zijn. Maar als CNC-bewerking wordt gebruikt in plaats van traditioneel frezen, is er geen significant tijdsverschil tussen vullingen en afschuiningen; het enige tijdsverschil is te wijten aan het wisselen van gereedschap.

Voor randen zoals deze (concave vullingen) is het vooral een uitdaging om ze te maken met CNC machines omdat ze speciale gereedschappen vereisen zoals kogelfrezen, die kwetsbaar zijn en op lagere snelheden frezen. Dit verhoogt de productiekosten, dus het is het beste om vullingen op zulke randen te vermijden. Als vullingen nodig zijn, moeten ze zo groot mogelijk zijn.

Dekking

Vullingen zijn gemakkelijker te bedekken met coatings dan afschuiningen. Dit komt omdat filets vloeiend en tangentieel overgaan in aangrenzende oppervlakken, waardoor de onderdelen zich kunnen hechten aan dikkere, gelijkmatigere coatings in vergelijking met de randen van afschuiningen.

Stressconcentratie

Als het ontwerpdoel is om spanningsconcentratie te verminderen, dan zijn afschuiningen een betere keuze. Vullingen verdelen spanning over een groter oppervlak in vergelijking met afschuiningen van dezelfde grootte.

Gaten of pennen

Voor schroefgaten, positioneergaten of positioneerpennen is het afschuinen van de randen een betere keuze.

Voor kunststofonderdelen

Kunststof onderdelen worden anders gegoten dan machinaal bewerkte onderdelen en bij het ontwerp wordt meestal de voorkeur gegeven aan vullingen met afschuiningen voor specifieke doeleinden (zoals esthetische details of structurele geleiding). De voordelen van vullingen in kunststofonderdelen zijn onder andere

Stroombaarheid

In het spuitgietproces is de vloeibaarheid van gesmolten hars cruciaal. Vullingen bieden minder stromingsweerstand en grotere vullingen vergemakkelijken het vullen. Scherpe hoeken in het oorspronkelijke ontwerp kunnen luchtinsluiting veroorzaken door wervelingen tijdens het inspuiten, wat leidt tot plaatselijke oververhitting en een verbrand uiterlijk. Optimaliseren met grotere radii zorgt voor een soepele stroming van de kunststof smelt.

Sterkte van kunststof onderdelen

Wanneer gesmolten polymeer over scherpe randen stroomt, veroorzaakt dit afschuiving, waardoor polymeerketens breken. Kortere polymeerketens resulteren in een lager gemiddeld moleculair gewicht, waardoor de sterkte en prestaties van het kunststof onderdeel afnemen. Zelfs kleine radii toevoegen helpt bij het vloeien en voorkomt afschuiven.

Stressconcentratie

Breuk door vermoeiing wordt veroorzaakt door scheurgroei, voornamelijk bij spanningsconcentratiepunten en aan het oppervlak van onderdelen. Op plaatsen waar de afmetingen van de dwarsdoorsnede abrupt veranderen, zoals bij hoeken, moeten voldoende grote vullingen worden gebruikt. Zoals de bijbehorende curve laat zien, neemt de effectieve spanningsconcentratiefactor snel af met toenemende radius. Vullingen helpen bij het verdelen van spanning over een groter oppervlak, waardoor snelle vervorming of scheuren van belaste onderdelen wordt voorkomen. Dit geldt vooral voor materialen zoals polycarbonaatdie gevoelig zijn voor spanningsscheuren als de gietomstandigheden niet goed zijn of als de structuur van het onderdeel onredelijk is.

Eenvoudige matrijsverwerking en verhoogde sterkte van de matrijs

Het ontwerpen van fillets in kunststofonderdelen verhoogt de sterkte van de matrijs omdat de overeenkomstige matrijsonderdelen ook fillets zullen hebben. Dit voorkomt scheuren door spanningsconcentratie tijdens afschrikken of gebruik, waardoor de sterkte van de mal toeneemt.

Verminderde elektrodeslijtage

Bij matrijsbewerking worden voor gebieden zoals dode hoeken (waar gereedschap niet bij kan) elektrische ontladingsbewerkingen (EDM) gebruikt, waarvoor elektroden nodig zijn (algemeen bekend als kopergereedschap). Scherpe hoeken en randen op elektroden slijten sneller tijdens het ontladen dan vlakke gebieden. Als gevolg hiervan hebben de daadwerkelijk bewerkte dode hoeken kleine vullingen (ongeveer 0,2), die afwijken van het ontwerp. Hiermee moet rekening worden gehouden om ervoor te zorgen dat de structuur niet wordt aangetast. Als kunststof onderdelen ontworpen vullingen hebben op dode hoeken, is de slijtage van de elektroden minder en komen de uiteindelijk bewerkte vullingen nauw overeen met het ontwerp.

Principe van filetontwerp

1. Zorgen voor een uniforme wanddikte bij hoeken

Om een uniforme wanddikte te behouden, moet de buitenstraal 𝑅 op de hoeken gelijk zijn aan de binnenstraal𝑟 plus de wanddikte 𝑡. Aanbevolen wordt om de minimale binnenstraal niet kleiner te maken dan 0,5 mm. Bij afschuiningen moet, om een absoluut uniforme wanddikte te behouden, de buitenste afschuining worden verschoven met de wanddikte 𝑡 om de binnenste afschuining te vormen.

2. Vormverwerking vergemakkelijken met filetontwerp

Vullingen op de deellijnen compliceren de matrijsconfiguratie. Bij de deellijn moet de holte worden overgebracht naar de andere helft van de matrijs, waardoor de bewerkingskosten toenemen en er mogelijk deellijnen ontstaan die het uiterlijk van het kunststofdeel beïnvloeden. Daarom moeten vullijnen bij deellijnen worden vermeden, tenzij ze noodzakelijk zijn.

In de volgende afbeelding bemoeilijkt het scheidingsvlak van het oorspronkelijke ontwerp met kleine vullingen de verwerking en het daaropvolgende polijsten. Het geoptimaliseerde ontwerp verwijdert de vullingen van het deellijnoppervlak.

Telkens wanneer matrijsholten en -kernen samenkomen om gaten of andere elementen in onderdelen te vormen, ontstaan deze problemen en moet er rekening mee worden gehouden in het ontwerp.

3. Visuele defecten in kunststof onderdelen vermijden met een filletontwerp

Voor interne structurele elementen zoals ribben, schroefnokken en drukknopen die verbonden zijn met de hoofdwanden, moeten fillets zorgvuldig overwogen worden. Plamuren in deze gebieden kan plaatselijk verdikking van het materiaal veroorzaken, wat kan leiden tot zinkvlekken op het oppervlak. Als fillets nodig zijn voor de sterkte, moet het materiaal eerst verkleind worden voordat er gefileerd wordt. Een typische methode om materiaal in schroefnokken te reduceren is bijvoorbeeld het creëren van een "krater" vorm.

4. Softwarebewerkingen voor het ontwerpen van vullingen

1). Vullingen als laatste toevoegen in constructief ontwerp

• Voordeel 1: Verbetert de algehele modelleringssnelheid in de software.
• Voordeel 2: Vermijdt het gedoe van het verwijderen van filets tijdens het maken van de ontwerphoek.

2). Vermijd het gebruik van één commando om alle filets te maken. Groepeer filets op type of uniforme grootte voor eenvoudigere latere aanpassingen.

3). Flexibel gebruik van "Compleet filet

Galerij van verschillende filet- en afschuiningsontwerpen