Slidstærke urdele fra 3D printeren

• Hvad der var brug for: Komponenter til et mekanisk urværk
• Fremstillingsproces: Ekstrudering af filamenter (FDM)
• Krav: Høj slidstyrke, gode mekaniske egenskaber, detaljenøjagtighed
• Materiale: iglidur® i150
• Branche: Modelbygning
• Succes gennem samarbejde: Forbedret slidstyrke, betydeligt længere levetid for komponenterne, mere regelmæssig gang i ankeret og dermed i værket som helhed

Anvendelsen i korte træk:
Som en del af et Jugend Forscht-projekt konstruerede Kai Schmidt-Brauns et komplet 3D-printbart urværk og sammenlignede en matematisk beregnet profilkurve for et mekanisk urværks anker med en empirisk bestemt profilkurve. For at teste de respektive profilkurver printede han et mekanisk urværk baseret på sin matematiske model. Ud over testene med komponenter fremstillet af konventionel PLA testede den studerende fra Wolfsburg de forskellige profilkurver med komponenter fremstillet af tribofilament® iglidur® i150. Dette bekræftede en bedre ydeevne for ankeret med igus® -materialet. Takket være det tribologisk optimerede filament kunne komponenter, der er udsat for særligt høje mekaniske belastninger, opnå en betydeligt længere levetid og mere regelmæssig drift end dele fremstillet af konventionel PLA.

For at et mekanisk urværk kan køre præcist, skal geometrien for alle komponenter i mekanismen bestemmes nøjagtigt, og friktionen mellem de bevægelige dele skal minimeres. Målet med Kai Schmidt-Brauns' projekt var at designe en ankermekanisme til det 3D-printbare urværk og derefter bestemme dets geometri ved hjælp af en matematisk model. Selv om den matematiske model resulterede i en mere regelmæssig bevægelse, opstod spørgsmålet om andre måder at gøre bevægelsen endnu mere præcis på. I testene med 3D-printede komponenter fremstillet af konventionel PLA havde de hårdt belastede dele, som f.eks. skralden (bestående af et skraldehjul og en skraldering) i optræksmekanismen, ikke en særlig lang levetid.

Efter testene med bevægelsen lavet af konventionel PLA udskiftede Kai Schmidt-Brauns kritiske komponenter med prøver, der var printet af igus® tribofilament® iglidur® i150. Sammenligningen viste, at den glidende og statiske friktion mellem komponenterne lavet af iglidur® i150 var betydeligt reduceret. Takket være den høje slidstyrke i igus® -materialet blev skraldens levetid desuden forlænget, og der blev observeret en mere regelmæssig gang i ankeret.

Jugend Forscht er en tysk konkurrence for unge talenter for elever fra 4. klasse og op til 21 år. Deltagerne kan arbejde med og indsende selvvalgte problemer inden for matematik, datalogi og naturvidenskab. Som en del af denne konkurrence skabte Kai Schmidt-Brauns fra Wolfsburg først en matematisk model til at bestemme den nøjagtige geometri af komponenterne i en 3D-printbar ankermekanisme. Det drejede sig især om profilhjulets profilkurve, som han kunne beregne ud fra veldefinerede parametre. Hemmingen i et ur er den del, der bestemmer urets nøjagtighed. Hemmingen "hæmmer" tandhjulet med jævne mellemrum, f.eks. ved hjælp af et anker, og sikrer, at et minut i uret svarer til et minut og ikke nogle gange tager 61 og nogle gange 55 sekunder. I næste trin af projektet sammenlignede Kai Schmidt-Brauns den beregnede profilkurve med en empirisk bestemt profilkurve. Han fandt ud af, at bevægelsen med den beregnede profilkurve har en mere regelmæssig hastighed end den empirisk bestemte profilkurve.

Ud over at sammenligne den matematiske formel og den empirisk bestemte profilkurve testede Kai Schmidt-Brauns anordningerne med forskellige materialer. Valget faldt på tribofilament® iglidur® i150. Med en bedtemperatur på 40 °C, en printhastighed på 30 mm/s ved en laghøjde på 0,1 mm og en ekstrudertemperatur på 250 °C opnåede den studerende de bedste resultater med filamentet fra igus®. Sammenlignet med konventionel PLA var han også i stand til at bestemme en betydeligt mere regelmæssig bevægelse af udløseren under en testkørsel. Ud over resultaterne i ankeret var det tribologisk optimerede filament i stand til at give en forbedring af dets slidstyrke i stærkt belastede komponenter. Spærringen (se billede), som er placeret i urværkets optræksmekanisme, skulle udskiftes betydeligt oftere med konventionel PLA end med iglidur® i150. Derudover var han i stand til at registrere en højere sejhed og fleksibilitet sammenlignet med den, der var lavet af konventionel PLA, gennem test med en spiralfjeder, der var printet af iglidur® i150.

Ud over iglidur® i150 tilbyder igus® mange andre tribologisk optimerede filamenter til 3D-printning. De har alle det til fælles, at de er beregnet til glidende applikationer på grund af deres høje slidstyrke. iglidur® i150 kan bearbejdes meget let som PLA- og PETG-filamenter. I slidtesten fra igus® testlaboratorium klarer igus® tribofilamenterne sig op til 50 gange bedre end konventionelle plastmaterialer som PLA og ABS (se billede). Det er også fødevaregodkendt i henhold til EU-forordning 10/2011 og derfor velegnet til tilsvarende anvendelser i fødevare- og emballageindustrien. Allroundfilamentet er særligt velegnet til nybegyndere takket være den lette forarbejdning. 3D-printservicen er også tilgængelig til enhver tid med en leveringstid på 1-3 dage, hvis der er brug for hjælp fra eksperter.