ออกแบบ snap-fit ให้ล็อกได้ไม่หัก: คำนวณ strain เลือกวัสดุ วางแขนให้ถูกทิศ

snap-fit แบบคาน (cantilever) คือแขนเล็ก ๆ ที่มีขอเกี่ยวตรงปลาย ตอนปิดฝาแขนจะงอหลบ แล้วดีดกลับไปเกี่ยวหลังสันล็อก มันใช้ได้ก็ต่อเมื่อการงอนั้นยังอยู่ในระยะที่พลาสติกยืดแล้วคืนตัวได้ บทนี้แปลงขีดจำกัดนั้นเป็นสูตรเดียวที่คิดด้วยมือได้ แล้วต่อด้วยทิศการพิมพ์ แขนเรียว และมุมโคน

ตัวเลขในบทอ้างอิงเครื่อง FDM หัว 0.4 mm ชั้น 0.2 mm ถ้ายังไม่ได้ทำเรื่องงานสวมและระยะเผื่อ อ่านพิมพ์ให้ได้ขนาดตรงก่อน

อะไรทำให้แขนล็อกหัก

ตอนแขนงอ ผิวด้านนอกตรงโคนแขนถูกยืดมากที่สุด การยืดนี้คิดเป็นสัดส่วนของความยาวเรียกว่า strain (ε) พลาสติกทุกชนิดมีค่า strain ที่ยืดแล้วไม่คืนตัว (จุดคราก หรือ yield) ถ้าเกินจุดนี้ โคนจะเป็นสีขาว แขนงอค้าง หรือร้าว เราจึงออกแบบจาก strain ไม่ใช่จากแรง

แขนตรงหนาเท่ากันตลอด ทฤษฎีคานให้สูตรระยะงอที่ปลายแขน เมื่อโคนรับ strain ค่าหนึ่ง

y = 0.67 × ε × L² ÷ h

• y = ระยะที่แขนต้องงอ = ความสูงของขอเกี่ยว (undercut) หน่วย mm
• ε = strain ที่ยอมให้ เป็นทศนิยม (2% = 0.02)
• L = ความยาวแขนจากโคนถึงขอเกี่ยว mm
• h = ความหนาแขนที่โคน mm

อ่านสูตรแบบนี้: ความยาวช่วยมาก (ยกกำลังสอง) ความหนาทำร้าย (แขนหนาถึงขีดจำกัด strain เร็วกว่า) สูตรนี้อยู่ในตารางที่ 1 ของคู่มือออกแบบ snap-fit ของ Bayer (ปัจจุบันคือ Covestro) สำหรับแขนหน้าตัดสี่เหลี่ยม

strain ที่ยอมให้ได้ของพลาสติกงานพิมพ์

คู่มือ Bayer ให้หลักไว้ว่า ถ้าล็อกครั้งเดียวสั้น ๆ พลาสติกอสัณฐาน (amorphous) ยืดได้ราว 70% ของ strain ที่จุดคราก (พลาสติกกึ่งผลึกได้เกือบถึงจุดคราก) ถ้าเป็นตัวล็อกที่เปิดปิดบ่อย ให้ใช้ราว 60% ของค่านั้น

ค่าในคู่มืองานฉีดเป็นของเม็ดพลาสติกขึ้นรูป ไม่ใช่ของเส้น สำหรับเส้นพิมพ์ ให้ดูค่า elongation at yield ใน datasheet ที่วัดจากแท่งทดสอบที่พิมพ์ขึ้นมา ตัวอย่างคำนวณจาก datasheet ที่ Prusament เผยแพร่ ใช้หลัก 70% ที่เข้มกว่ากับทั้งสองวัสดุ

วัสดุ	strain ที่จุดคราก (พิมพ์นอน)	ล็อกครั้งเดียว (×0.7)	เปิดปิดบ่อย (×0.6)
PLA	2.9%	≈ 2.0%	≈ 1.2%
PETG	5.1%	≈ 3.6%	≈ 2.1%

ตัวเลขนี้มาจากแท่งทดสอบในห้องแล็บ ชิ้นงานจริงมีรอยต่อ ผนังต่างกัน และม้วนเส้นต่างกัน ให้ถือเป็นเพดานเริ่มต้น แล้วยืนยันด้วยชิ้นทดสอบ เส้นวัสดุอื่นหาค่า “elongation at yield” จาก datasheet แล้วคูณสองตัวเลขเดียวกัน

PETG รับ strain ได้เกือบสองเท่าของ PLA ฝาช่องถ่านที่เปิดทุกสัปดาห์ ความต่างนี้ตัดสินว่าตัวล็อกจะอยู่รอดหรือไม่

ตัวอย่างคำนวณ: ตัวล็อกฝาช่องถ่าน

ฝาช่องถ่านเปิดปิดบ่อย ขอเกี่ยวต้องสูง y = 1.0 mm แขนยาว L = 12 mm ใช้ PETG ตั้ง strain ออกแบบ ε = 2% (0.02)

1. แขนหนาได้มากสุด: ย้ายข้างสูตรเป็น h = 0.67 × ε × L² ÷ y = 0.67 × 0.02 × 144 ÷ 1.0 ≈ 1.93 mm
2. เลือกความหนาที่พิมพ์ได้เป็นเส้นเต็ม ผนัง 4 เส้นของหัว 0.4 mm กว้างราว 1.8 mm (ตามตารางของ Prusa) จึงตั้ง h = 1.8 mm
3. ตรวจ: ระยะงอที่ยอมได้ = 0.67 × 0.02 × 144 ÷ 1.8 ≈ 1.07 mm มากกว่า 1.0 mm ที่ต้องการ ผ่าน

แขนเดียวกันแต่ใช้ PLA เปิดปิดบ่อย ε = 1.2%

1. ระยะงอที่ยอมได้ = 0.67 × 0.012 × 144 ÷ 1.8 ≈ 0.64 mm น้อยกว่า 1.0 mm โคนแขนจะถูกยืดเกิน
2. แก้ด้วยความยาว ลอง L = 16 mm ได้ 0.67 × 0.012 × 256 ÷ 1.8 ≈ 1.14 mm ผ่าน

ยืดแขนเพิ่ม 4 mm ได้ผลเท่ากับการเปลี่ยนวัสดุ ถ้าไม่มีที่ให้ยาว ลดความสูงขอเกี่ยว หรือเปลี่ยนเป็น PETG

รูปทรง: แขนเรียวกับโคนมน

ทำแขนเรียว คู่มือ Bayer แสดงว่าแขนที่บางลงเป็นเส้นตรงจาก h ที่โคน เหลือ h/2 ที่ขอเกี่ยว งอได้มากกว่าแขนหนาเท่ากันตลอดเกิน 60% เพราะ strain กระจายเท่า ๆ กันทั้งแขน ไม่ไปกองที่โคน จากตัวอย่างข้างบน โคน 1.8 mm เรียวลงเหลือ 0.9 mm ที่ขอเกี่ยวเป็นรูปทรงที่เหมาะ ปลาย 0.9 mm ยังเป็นผนังสองเส้นเต็ม

ทำโคนมน มุมในที่คมรวมความเค้นไว้ตรงจุดที่ strain สูงที่สุดพอดี Hubs แนะนำ fillet อย่างน้อย 0.5 เท่าของความหนาโคน (0.9 mm สำหรับแขน 1.8 mm) คู่มือ Bayer บอกว่าประโยชน์เริ่มคงที่ราว R/h = 0.6 และไม่ควรเล็กกว่าราว 0.38 mm (0.015 นิ้ว)

ความกว้าง Hubs แนะนำแขนกว้างอย่างน้อย 5 mm แขนกว้างขึ้นกดแข็งขึ้น แต่ strain ไม่เพิ่ม เพราะความกว้างไม่อยู่ในสูตร strain

ขอเกี่ยว หน้าลาดขาเข้าตื้น ๆ (ตัวอย่างในคู่มือ Bayer ใช้ 30°) ประกอบง่าย หน้าด้านหลังยิ่งชันยิ่งดึงออกยาก หน้าหลัง 90° จะปลดได้ก็ต่อเมื่อเอานิ้วดันแขนออกเอง

ทิศการพิมพ์: แขนต้องนอน

ชิ้นงาน FDM แข็งแรงตามแนวเส้น แต่อ่อนระหว่างชั้น datasheet ของ Prusament PLA เห็นชัด: พิมพ์นอนรับแรงดึงได้ราว 51 MPa แต่แรงยึดระหว่างชั้นแค่ราว 17 MPa แขนที่ตั้งขึ้นตามแกน Z จะงอขวางแนวชั้น แล้วร้าวตรงนั้น

• วางชิ้นงานให้แขนนอนอยู่ในระนาบ XY เส้นพลาสติกวิ่งจากโคนไปขอเกี่ยว
• ถ้ากล่องจำเป็นต้องตั้งพิมพ์ หมุนตัวล็อกให้งอด้านข้างในระนาบ XY แทน หรือพิมพ์ตัวล็อกแยกชิ้นแล้วยึดด้วยสกรูหรือกาว
• Hubs ก็บอกเหมือนกัน: อย่าทำแขนคานที่พิมพ์ตั้งตามแกน Z

เรื่องทิศของชั้นกับความแข็งแรงอยู่ในบทวางชิ้นงานบนเตียงยังไง

ระยะเผื่อรอบขอเกี่ยว

Hubs ใช้ 0.5 mm เป็นระยะเผื่อตั้งต้นของ snap-fit งาน FDM ส่วนการทดสอบงานสวมในเว็บนี้มักได้ 0.1–0.2 mm ต่อด้านสำหรับพอดี และ 0.3–0.5 mm สำหรับหลวม (รายละเอียด) สำหรับตัวล็อก

• เว้น 0.3–0.5 mm ระหว่างแขนกับผนังที่แขนงอเข้าหา ให้งอได้โดยไม่ถู
• สันที่ขอเกี่ยวจะเกาะต้องรับขอเกี่ยวได้เต็มความสูง ถ้าระยะเผื่อกินไปครึ่งหนึ่ง ฝาจะโยกคลอน
• ทำ chamfer ที่ขอบปากของชิ้นที่รับ ช่วยนำขอเกี่ยวเข้า

พิมพ์ตัวล็อกหนึ่งตัวกับสันล็อกเป็นชิ้นทดสอบเล็ก ๆ ก่อนพิมพ์กล่องทั้งใบ ชิ้นทดสอบเสียเวลาเป็นนาที กล่องที่ร้าวเสียเวลาเป็นชั่วโมง

ข้อผิดพลาดที่เจอบ่อย

• ทำแขนหนาขึ้น “ให้แข็งแรง” แขนหนาถึงขีดจำกัด strain เร็วกว่า หักเร็วกว่า ให้ทำยาวขึ้นแทน
• พิมพ์แขนตั้ง กดครั้งแรกก็หักตามแนวชั้น
• โคนแขนเป็นมุมคม รอยร้าวเริ่มตรงนั้นพอดี
• ใช้ค่า strain ของพลาสติกงานฉีดกับเส้นพิมพ์ งานพิมพ์อ่อนกว่า ใช้ค่าที่วัดจากชิ้นงานพิมพ์
• ออกแบบสำหรับประกอบครั้งเดียว แต่เปิดปิดทุกวัน ใช้งานซ้ำต้องคูณ 60%
• ความร้อน PLA เริ่มนิ่มราว 55 °C (ค่า HDT ใน datasheet ของ Prusament) ตัวล็อกที่ทิ้งไว้ในรถร้อน ๆ จะค่อย ๆ เสียรูปจนจับไม่แน่น

แหล่งข้อมูล

• Snap-Fit Joints for Plastics, A Design Guide — Bayer MaterialScience (PDF สำเนาที่ MIT)
• How to design snap-fit joints for 3D printing — Hubs
• Prusament PLA technical data sheet — Prusa Polymers (PDF)
• Prusament PETG technical data sheet — Prusa Polymers (PDF)
• Modeling with 3D printing in mind — Prusa Knowledge Base