Slidstærke urdele fra 3D printeren

• Hvad var behovet: Komponenter til et mekanisk urværk
• Produktionsmetode:Filamentekstrudering (FDM)
• Krav: Høj slidstyrke, gode mekaniske egenskaber, detaljenøjagtighed
• Materiale: iglidur I150
• Branche: Modelfremstilling
• Succes for kunden: Forbedret slidstyrke, betydeligt længere komponentlevetid, mere regelmæssig kørsel af ankerværket og dermed af urværket som helhed

Et overblik over applikationen:
Som en del af et Jugend Forscht projekt konstruerede Kai Schmidt-Brauns et helt 3D printbart urværk og sammenlignede en matematisk beregnet profilkurve for et mekanisk urværks ankerværk med en empirisk bestemt profilkurve. For at teste hver profilkurve udskrev han det mekaniske urværk baseret på sin matematiske model. Ud over eksperimenterne med komponenter fremstillet af konventionel PLA testede Schmidt-Brauns de forskellige profilkurver med komponenter fremstillet af iglidur i150 tribofilament®. Dette bekræftede, at værket med igus® materialet klarede sig bedre. Takket være det tribologisk optimerede filament kunne komponenter, der udsættes for særlig høje mekaniske belastninger, opnå en betydeligt længere levetid og en mere regelmæssig drift end dele fremstillet af konventionel PLA.
 

Det mekaniske urværk forfra: energi lagres i optræksmekanismen

Problem

For at et mekanisk urværk kan køre præcist, skal geometrien for alle mekanismens komponenter bestemmes præcist, og friktionen mellem bevægelige dele skal holdes så lav som muligt. Formålet med Kai Schmidt-Brauns projekt var at designe en escapement til et 3D printbart urværk og efterfølgende bestemme dets geometri med en matematisk model.Selvom den matematiske model førte til en mere regelmæssig bevægelse af uret, opstod spørgsmålet om andre måder at gøre uret endnu mere præcist på. I testene med 3D printede komponenter fremstillet af konventionel PLA havde de stærkt belastede dele, som skralden (bestående af skraldehjul og skraldekrans) i mekanismen, ikke en særlig lang levetid.

Løsning

Efter testene med urværket af konventionel PLA erstattede Kai Schmidt-Brauns kritiske komponenter med prøver trykt fra igus iglidur I150 tribofilament. I sammenligningen var det mærkbart, at glidning og statisk friktion mellem komponenterne i iglidur I150 reduceres betydeligt. Takket være igus materialets høje slidstyrke forlænges levetiden også for skralden samt en mere regelmæssig bevægelse af escapement.

Et præcist urværk fuldstændigt fra 3D printeren

Jugend Forscht er en tysk konkurrence for unge forskere fra 4. klasse op til 21 år. Deltagerne kan arbejde med og indsende problemer efter eget valg inden for matematik, datalogi og naturvidenskab. Som en del af denne konkurrence oprettede Kai Schmidt-Brauns fra Wolfsburg først en matematisk model for at bestemme den nøjagtige geometri af komponenterne i en 3D printbar escapement. Dette involverede især profilhjulets profilkurve, som han var i stand til at beregne ud fra veldefinerede parametre. Et urs escapement er den del, der bestemmer nøjagtigheden af uret. Escapement "hæmmer" tandhjulsdrevet med jævne mellemrum, for eksempel ved hjælp af en gaffel, og sikrer, at et minut i uret også svarer til et minut og ikke varer nogle gange 61 og nogle gange 55 sekunder. I det næste trin i projektet sammenlignede Kai Schmidt-Brauns den beregnede profilkurve med en empirisk bestemt profilkurve. Han fandt ud af, at bevægelsen med den beregnede profilkurve havde en mere regelmæssig hastighed end den empirisk bestemte profilkurve.

Det mekaniske urværk bagfra: Yderst til venstre er profilhjulet, hvis profilkurve skal bestemmes nøjagtigt

Mere præcis bevægelse med iglidur I150

Ud over at sammenligne den matematiske formel og den empirisk bestemte profilkurve testede Kai Schmidt-Brauns escapements med forskelligt materiale. Valget faldt på iglidur I150 tribofilament. Med en bordtemperatur på 40° C, en udskrivningshastighed på 30 mm/s i en laghøjde på 0,1 mm og en ekstruderstemperatur på 250° C opnåede eleven de bedste resultater med filamentet fra igus. Sammenlignet med den konventionelle PLA var han også i stand til at opdage en meget mere regelmæssig escapement under en testkørsel. Ud over resultaterne i escapement kunne det tribologisk optimerede filament give en forbedring af stærkt belastede komponenter med sin slidstyrke. Skraldering på skralden (se billede), der er placeret i urværkets optræksmekanisme, skulle udskiftes betydeligt oftere ved brug af konventionel PLA end med iglidur I150. Desuden var han gennem test med en spiralfjeder trykt fra iglidur I150 i stand til at registrere en højere robusthed og smidighed sammenlignet med den, der er lavet af konventionel PLA.

Skralden lavet af iglidur I150 består af skraldehjul og skraldering

igus tribofilamenter for mere levetid for applikationerne

Udover iglidur I150 tilbyder igus mange andre tribologisk optimerede filamenter til 3D print. Alle har deres høje slidstyrke til glidende applikationer til fælles. iglidur I150 kan behandles meget let, ligesom PLA og PETG filamenter. I slidtesten fra igus' interne testlaboratorium klarer igus tribofilamenter op til 50 gange bedre end konventionel plast som PLA og ABS (se billede). Den er også fødevarekompatibel i henhold til EU -forordning 10/2011 og derfor velegnet til passende applikationer i fødevare- og emballageindustrien. Det allround filament er særligt velegnet til uerfarne printere på grund af sin lette behandling. 3D printservice er også tilgængelig når som helst med en leveringstid på 1-3 dage, hvis der er behov for eksperthjælp.

iglidur® I150 slidtest: Y-akse = slidhastighed [μm/km] 1. iglidur® I150 2. iglidur® I180 3. PLA 4. ABS testparametre (lineær bevægelse): v = 0,1 m/s; p = 1 MPa; akselmaterialer: hærdet stål (Cf53/1.1213) og rustfrit stål (V2A/1.4301)