Odporne na zużycie części mechanizmu zegarowego z drukarki 3D

• Co było potrzebne: Komponenty do mechanicznego mechanizmu zegarowego
• Proces produkcji: Wytłaczanie filamentu (FDM)
• Wymagania: Wysoka odporność na ścieranie, dobre właściwości mechaniczne, dokładność detali
• Materiał: iglidur® i150
• Przemysł: Produkcja modeli
• Sukces dzięki współpracy: zwiększona odporność na zużycie, znacznie dłuższa żywotność komponentów, bardziej regularna praca mechanizmu wychwytowego, a tym samym całego mechanizmu.

Aplikacja w skrócie:
W ramach projektu Jugend Forscht, Kai Schmidt-Brauns skonstruował całkowicie drukowany w 3D mechanizm i porównał matematycznie obliczoną krzywą profilu wychwytu mechanizmu zegarowego z empirycznie określoną krzywą profilu. Aby przetestować odpowiednie krzywe profilu, wydrukował mechanizm mechaniczny w oparciu o swój model matematyczny. Oprócz testów z komponentami wykonanymi z konwencjonalnego PLA, student z Wolfsburga przetestował różne krzywe profilu z komponentami wykonanymi z tribofilamentu® iglidur® i150. Potwierdziło to lepszą wydajność mechanizmu uciekającego z materiałem igus®. Dzięki trybologicznie zoptymalizowanemu filamentowi, komponenty narażone na szczególnie wysokie obciążenia mechaniczne były w stanie osiągnąć znacznie dłuższą żywotność i bardziej regularną pracę niż części wykonane z konwencjonalnego PLA.

Aby ruch mechaniczny działał precyzyjnie, geometria wszystkich elementów mechanizmu musi być dokładnie określona, a tarcie między ruchomymi częściami musi być zminimalizowane. Celem projektu Kaia Schmidta-Braunsa było zaprojektowanie mechanizmu wychwytu dla mechanizmu drukowanego w 3D, a następnie określenie jego geometrii za pomocą modelu matematycznego. Chociaż model matematyczny zaowocował bardziej regularnym ruchem, pojawiło się pytanie o inne sposoby uczynienia ruchu jeszcze dokładniejszym. W testach z komponentami wydrukowanymi w 3D z konwencjonalnego PLA, mocno obciążone części, takie jak zapadka (składająca się z koła zapadkowego i pierścienia zapadkowego) w mechanizmie uzwojenia, nie miały szczególnie wysokiej żywotności.

Po testach z ruchem wykonanym z konwencjonalnego PLA, Kai Schmidt-Brauns zastąpił krytyczne komponenty próbkami wydrukowanymi z tribofilamentu igus®® iglidur® i150. Porównanie wykazało, że tarcie ślizgowe i statyczne między komponentami wykonanymi z iglidur® i150 zostało znacznie zmniejszone. Ponadto, dzięki wysokiej odporności na zużycie materiału igus®, zwiększono żywotność zapadki i zaobserwowano bardziej regularną pracę mechanizmu wychwytowego.

Jugend Forscht to niemiecki konkurs dla młodych talentów dla uczniów od 4 klasy do 21 roku życia. Uczestnicy mogą opracowywać i zgłaszać wybrane przez siebie problemy z dziedziny matematyki, informatyki i nauk przyrodniczych. W ramach tego konkursu Kai Schmidt-Brauns z Wolfsburga najpierw stworzył model matematyczny w celu określenia dokładnej geometrii komponentów mechanizmu wychwytowego drukowanego w 3D. W szczególności dotyczyło to krzywej profilu koła profilowego, którą był w stanie obliczyć na podstawie dobrze zdefiniowanych parametrów. Mechanizm wychwytowy zegarka jest częścią, która decyduje o dokładności zegarka. Mechanizm wychwytowy "hamuje" przekładnię zębatą w regularnych odstępach czasu, na przykład za pomocą kotwicy, i zapewnia, że jedna minuta w zegarku odpowiada jednej minucie i nie trwa czasami 61, a czasami 55 sekund. W kolejnym etapie projektu Kai Schmidt-Brauns porównał obliczoną krzywą profilu z empirycznie wyznaczoną krzywą profilu. Odkrył, że ruch z obliczoną krzywą profilu ma bardziej regularne tempo niż empirycznie określona krzywa profilu.

Oprócz porównania wzoru matematycznego i empirycznie wyznaczonej krzywej profilu, Kai Schmidt-Brauns przetestował mechanizmy wychwytowe z różnymi materiałami. Wybór padł na tribofilament® iglidur® i150. Przy temperaturze łoża 40 °C, prędkości drukowania 30 mm/s przy wysokości warstwy 0,1 mm i temperaturze wytłaczarki 250 °C, student osiągnął najlepsze wyniki z filamentem od igus®. W porównaniu do konwencjonalnego PLA, był on również w stanie określić znacznie bardziej regularny ruch mechanizmu zwrotnego podczas testu. Oprócz wyników dotyczących mechanizmu zapadkowego, zoptymalizowany trybologicznie filament był w stanie zapewnić poprawę odporności na zużycie w mocno obciążonych komponentach. Pierścień zapadki zapadki (patrz zdjęcie), który znajduje się w mechanizmie nawijania mechanizmu zegarowego, musiał być wymieniany znacznie częściej przy użyciu konwencjonalnego PLA niż przy użyciu iglidur® i150. Ponadto, dzięki testom ze sprężyną spiralną wydrukowaną z igliduru® i150, udało mu się odnotować wyższą wytrzymałość i elastyczność w porównaniu do konwencjonalnego PLA.

Oprócz iglidur® i150, igus® oferuje wiele innych trybologicznie zoptymalizowanych filamentów do druku 3D. Ich wspólną cechą jest to, że są przeznaczone do zastosowań ślizgowych ze względu na ich wysoką odporność na ścieranie. iglidur® i150 można bardzo łatwo przetwarzać, podobnie jak filamenty PLA i PETG. W teście zużycia przeprowadzonym przez laboratorium testowe igus®, trybofilamenty igus® wypadły do 50 razy lepiej niż konwencjonalne tworzywa sztuczne, takie jak PLA i ABS (patrz zdjęcie). Jest ono również zgodne z wymogami żywności zgodnie z rozporządzeniem UE 10/2011, a zatem nadaje się do odpowiednich zastosowań w przemyśle spożywczym i opakowaniowym. Uniwersalny filament jest szczególnie odpowiedni dla początkujących drukarzy dzięki łatwości obróbki. Usługa druku 3D jest również dostępna w dowolnym momencie z czasem dostawy 1-3 dni, jeśli wymagana jest pomoc ekspertów.