Kopásálló alkatrészek 3D nyomtatással

• Amire szükség volt: Egy mechanikus óramű alkatrészei
• Gyártási folyamat: Szál extrudálás (FDM)
• Követelmények: Magas kopásállóság, jó mechanikai jellemzők, részletpontosság.
• Anyag: iglidur® i150
• Iparág: Modellgyártás
• Siker az együttműködés révén: jobb kopásállóság, az alkatrészek jelentősen hosszabb élettartama, a csukló és így a szerkezet egészének szabályosabb működése.

Az alkalmazás egy pillantásra:
Egy Jugend Forscht projekt részeként Kai Schmidt-Brauns egy teljesen 3D-ben nyomtatható szerkezetet készített, és összehasonlította egy mechanikus szerkezet csuklógörbéjének matematikailag kiszámított profilgörbéjét egy empirikusan meghatározott profilgörbével. A megfelelő profilgörbék teszteléséhez a matematikai modellje alapján kinyomtatott egy mechanikus szerkezetet. A hagyományos PLA-ból készült alkatrészekkel végzett vizsgálatok mellett a wolfsburgi diák a különböző profilgörbéket a® iglidur® i150 tribofilamentből készült alkatrészekkel is tesztelte. Ez megerősítette, hogy az igus® anyaggal jobb teljesítményt nyújt a csuklószerkezet. A tribológiailag optimalizált szálnak köszönhetően a különösen nagy mechanikai igénybevételnek kitett alkatrészek élettartama jelentősen hosszabb és egyenletesebb volt, mint a hagyományos PLA-ból készült alkatrészeké.

Ahhoz, hogy egy mechanikus szerkezet pontosan működjön, pontosan meg kell határozni a mechanizmus minden alkatrészének geometriáját, és a mozgó alkatrészek közötti súrlódást a lehető legkisebbre kell csökkenteni. Kai Schmidt-Brauns projektjének célja az volt, hogy a 3D nyomtatható szerkezethez megtervezze a csuklómechanizmust, majd egy matematikai modell segítségével meghatározza annak geometriáját. Bár a matematikai modell egy szabályosabb szerkezetet eredményezett, felmerült a kérdés, hogy milyen más módon lehetne még pontosabbá tenni a szerkezetet. A hagyományos PLA-ból készült 3D-nyomtatott alkatrészekkel végzett tesztek során a nagy terhelésnek kitett alkatrészek, például a felhúzószerkezetben lévő racsni (amely egy racsnikerékből és egy racsnigyűrűből áll) nem rendelkeztek különösen magas élettartammal.

A hagyományos PLA-ból készült mozdulatokkal végzett tesztek után Kai Schmidt-Brauns a kritikus alkatrészeket az igus® tribofilament® iglidur® i150 anyagból nyomtatott példányokkal helyettesítette. Az összehasonlítás során kiderült, hogy az iglidur® i150 anyagból készült alkatrészek közötti csúszó- és statikus súrlódás jelentősen csökkent. Ezenkívül az igus® anyag magas kopásállóságának köszönhetően megnövekedett a racsni élettartama, és megfigyelhető volt a csukló egyenletesebb működése.

A Jugend Forscht egy fiatal tehetségek számára meghirdetett német verseny, amely a 4. osztálytól 21 éves korig terjedő korosztály számára van meghirdetve. A résztvevők a matematika, az informatika és a természettudományok területén saját maguk által választott problémákat dolgozhatnak ki és nyújthatnak be. E verseny keretében a wolfsburgi Kai Schmidt-Brauns először egy matematikai modellt készített egy 3D-nyomtatható mozgócsapágy-mechanizmus alkatrészeinek pontos geometriájának meghatározására. Ez különösen a profilkerék profilgörbéjét érintette, amelyet jól meghatározott paraméterekből tudott kiszámítani. Egy óra mozgatását az a rész határozza meg, amely meghatározza az óra pontosságát. A csigahajtómű "gátolja" a fogaskereket rendszeres időközönként, például egy horgony segítségével, és biztosítja, hogy egy perc az órában megfeleljen egy percnek, és ne legyen hol 61, hol 55 másodpercig. A projekt következő lépésében Kai Schmidt-Brauns a kiszámított profilgörbét egy empirikusan meghatározott profilgörbével hasonlította össze. Megállapította, hogy a számított profilgörbével történő mozgás szabályosabb ütemű, mint az empirikusan meghatározott profilgörbe.

A matematikai képlet és az empirikusan meghatározott profilgörbe összehasonlítása mellett Kai Schmidt-Brauns különböző anyagokkal is tesztelte a csuklókat. A választás a® iglidur® i150 tribofilszálra esett i150. A hallgató 40 °C-os ágyhőmérséklet, 30 mm/s nyomtatási sebesség 0,1 mm-es rétegmagasság és 250 °C-os extruderhőmérséklet mellett az igus® filamenttel érte el a legjobb eredményeket. A hagyományos PLA-hoz képest egy tesztfutás során a menekülő mozgását is lényegesen szabályosabbnak tudta megállapítani. A csukószerkezetben elért eredmények mellett a tribológiailag optimalizált filament a nagy terhelésű alkatrészek kopásállóságával is javulást tudott felmutatni. Az óramű felhúzószerkezetében található racsni gyűrűjét (lásd a képen) a hagyományos PLA-val lényegesen gyakrabban kellett cserélni, mint az iglidur® i150-vel. Ezenkívül az iglidur® i150 anyagból nyomtatott spirálrugóval végzett tesztek révén nagyobb szívósságot és rugalmasságot tudott regisztrálni a hagyományos PLA anyaghoz képest.

Az iglidur® i150 mellett az igus® számos más, tribológiailag optimalizált szálakat kínál a 3D nyomtatáshoz. Közös bennük, hogy magas kopásállóságuk miatt csúszó alkalmazásokhoz szánják őket. iglidur® i150 nagyon könnyen feldolgozható, mint a PLA és PETG filamentek. Az igus® tesztlaboratórium kopásvizsgálatában az igus® tribofilamentek akár 50-szer jobban teljesítenek, mint a hagyományos műanyagok, például a PLA és az ABS (lásd a képet). A 10/2011-es EU rendeletnek megfelelően élelmiszeripari szempontból is megfelelő, ezért alkalmas az élelmiszer- és csomagolóiparban való megfelelő alkalmazásokra. A mindenes filament könnyű feldolgozhatóságának köszönhetően különösen alkalmas a kezdő nyomtatók számára. A 3D nyomtatási szolgáltatás 1-3 napos szállítási határidővel bármikor elérhető, ha szakemberek segítségére van szükség.