Kopásálló alkatrészek 3D nyomtatással

• Megoldandó probléma: mechanikus óramű alkatrészek
• Gyártási eljárás: szálanyag extrudálás (FDM)
• Követelmények: nagy kopásállóság, jó mechanikai tulajdonságok, részletpontosság
• Anyag: iglidur I150
• Iparág: modellkészítés
• Sikeres megoldás: jobb kopásállóság, lényegesen hosszabb alkatrész-élettartam, a gátlómű, így az óraszerkezet egészének pontosabb működése

Az alkalmazás röviden:
A Jugend Forscht projekt részeként Kai Schmidt-Brauns megszerkesztett egy teljesen 3D-ben nyomtatható óraszerkezetet, és összehasonlította egy mechanikus gátlómű matematikailag számított profilgörbéjét egy empirikusan meghatározott profilgörbével. Az egyes profilgörbék teszteléséhez matematikai modellje alapján nyomtatta ki a mechanikus óraművet. A hagyományos PLA-ból készült alkatrészekkel végzett kísérletek mellett a Schmidt-Brauns iglidur I150 tribofilamentből készült alkatrészekkel tesztelte a különböző profilgörbéket. Ez megerősítette, hogy az igus anyagból készült gátlómű jobban teljesített. A tribológiailag optimalizált iglidur I150 szálanyagnak köszönhetően a mozgás során különösen nagy mechanikai terhelésnek kitett alkatrészek lényegesen hosszabb élettartamot és pontosabb átadási ütemet tudtak tartani, mint a hagyományos PLA-ból készült alkatrészek.
 

A mechanikus óramű elölről: az energiát a tekercselő mechanizmus tárolja

Probléma

A mechanikus óramű pontos működéséhez precízen meg kell határozni a mechanizmus összes alkatrészének geometriáját, és a mozgó alkatrészek közötti súrlódást a lehető legalacsonyabb szinten kell tartani. Kai Schmidt-Brauns projektjének célja az volt, hogy megtervezze a 3D-ben nyomtatható óraszerkezet gátlómű mechanizmusát, majd matematikai modellel meghatározza geometriáját. Bár a matematikai modell az óramű szabályosabb mozgását eredményezte, felmerült a kérdés, hogy milyen más módokon lehet az óraművet még pontosabbá tenni. Ráadásul a hagyományos PLA-ból készült 3D-nyomtatott alkatrészekkel végzett teszteknél az erősen igénybevett részek, mint például a racsni (kerékből és peremből áll) nem rendelkeztek kifejezetten hosszú élettartammal.

Megoldás

A hagyományos PLA-ból készült óraszerkezettel végzett tesztek után Kai Schmidt-Brauns a kritikus alkatrészeket igus iglidur I150 tribofilamentből nyomtatott mintákkal cserélte ki. Az összehasonlítás során észrevehető volt, hogy az iglidur I150-ből készült alkatrészek közötti csúszási és statikus súrlódás jelentősen csökken. Ezen kívül az igus anyag nagy kopásállóságának köszönhetően növelhető volt a racsni élettartama, valamint a gátlómű mozgásának szabályossága.

Precíz óramű teljesen 3D nyomtatással

A Jugend Forscht egy németországi verseny fiatal kutatók számára 4. osztálytól 21 éves korig. A résztvevők a matematika, az informatika és a természettudományok területéről szabadon választott feladatokat dolgozhatnak fel és küldhetnek be. Ennek a versenynek a résztvevőjeként Kai Schmidt-Brauns Wolfsburgból először állított fel egy matematikai modellt egy 3D-ben nyomtatható gátlómű mechanizmus alkatrészeinek pontos geometriájának meghatározására. Ez különösen a profilkerék profilgörbéjét érintette, amelyet meghatározott paraméterekből tudott kiszámítani. Az óra gátlóműve az a rész, amely meghatározza az óra pontosságát. A gátlómű szabályos időközönként, például az inga segítségével "gátolja" a fogaskereket, és gondoskodik arról, hogy az óra egy perce is egy percnek feleljen meg, és ne tartson hol 61, hol 55 másodpercig. A projekt következő lépésében Kai Schmidt-Brauns összehasonlította a számított profilgörbét egy empirikusan meghatározott profilgörbével. Megállapította, hogy a számított profilgörbével végzett mozgás szabályosabb ütemű, mint az empirikusan meghatározott profilgörbe.

A mechanikus óramű hátulról: A bal szélen a profilkerék, melynek profilgörbéjét pontosan meg kell határozni

Pontosabb mozgás az iglidur I150-nel

A matematikai képlet és az empirikusan meghatározott profilgörbe összehasonlítása mellett Kai Schmidt-Brauns különböző anyagokkal tesztelte a gátlást. A választás az iglidur I150 tribofilamentre esett. 40°C-os tálcahőmérséklet, 0,1 mm-es rétegmagasság, 30 mm/s nyomtatási sebesség és 250°C-os extruder-hőmérséklet mellett a tanuló az igus szálanyagával érte el a legjobb eredményeket. A hagyományos PLA-hoz képest sokkal szabályosabb gátlást volt képes kimutatni egy próbaüzem során. A gátlómechanizmusban elért eredményeken túl a tribológiailag optimalizált filament kopásállóságával javítani tudott az erősen igénybevett alkatrészeken. Az óramű felhúzómechanikájában található fogaskereket és két rugót (lásd a képen) sokkal gyakrabban kellett cserélni hagyományos PLA használata mellett, mint amikor iglidur I150-ből készültek. Ezenkívül az iglidur I150-ből nyomtatott spirálrugóval végzett tesztek során nagyobb tartósságot és hajlékonyságot tudott felmutatni, mint a hagyományos PLA-ból készülttel.

Az iglidur I150-ből készült racsni fogaskerékből és két rugóból áll

igus tribofilamentek az alkalmazások hosszabb élettartama érdekében

Az iglidur I150 mellett az igus számos más, tribológiailag optimalizált szálanyagot kínál 3D nyomtatáshoz. Mindegyikben közös a nagy kopásállóság a csúszó alkalmazásokhoz. Az iglidur I150-nel ugyanolyan könnyű dolgozni, mint a standard PLA és PETG szálanyagokkal. Az igus saját tesztlaboratóriumában végzett kopási teszt során az igus tribofilamentek akár 50-szer jobban teljesítettek, mint a hagyományos műanyagok, például a PLA és az ABS (lásd a képet). A 10/2011-es EU-rendeletnek megfelelően élelmiszer-kompatibilis is, ezért alkalmas az élelmiszer- és csomagolóipar megfelelő alkalmazásaihoz. A sokoldalú szálanyag könnyű feldolgozhatósága miatt különösen alkalmas kezdő nyomtató felhasználók számára. A 3D nyomtatási szolgáltatás is bármikor elérhető 1-3 napos szállítási határidővel, ha szakértői segítségre van szükség.

iglidur I150 kopásteszt: Y-tengely = kopási ráta [μm/km] 1. iglidur I150 2. iglidur I180 3. PLA 4. ABS teszt paraméterek (lineáris mozgás): v = 0,1 m/s; p = 1 MPa; tengelyanyagok: edzett acél (Cf53/1.1213) és rozsdamentes acél (V2A/1.4301)