Slitstarka urverksdelar från 3D-skrivaren

• Vad som behövdes: Komponenter till ett mekaniskt urverk
• Tillverkningsprocess: Filamentsträngsprutning (FDM)
• Krav: Hög nötningsbeständighet, goda mekaniska egenskaper, detaljnoggrannhet
• Material: iglidur i150
• Bransch: Modelltillverkning
• Framgånggenom samarbete: Förbättrad slitstyrka, betydligt längre livslängd för komponenterna, jämnare gång i utloppet och därmed i hela urverket

Tillämpningen i korthet:
Som en del av ett Jugend Forscht-projekt konstruerade Kai Schmidt-Brauns ett helt 3D-utskrivbart urverk och jämförde en matematiskt beräknad profilkurva för ett urverk i ett mekaniskt urverk med en empiriskt bestämd profilkurva. För att testa de olika profilkurvorna skrev han ut ett mekaniskt urverk baserat på sin matematiska modell. Förutom testerna med komponenter tillverkade av konventionell PLA testade studenten från Wolfsburg de olika profilkurvorna med komponenter tillverkade av tribofilament iglidur i150. Detta bekräftade en bättre prestanda för urverket med igus-materialet. Tack vare det tribologiskt optimerade filamentet kunde komponenter som utsätts för särskilt höga mekaniska påfrestningar uppnå en betydligt längre livslängd och jämnare drift än delar tillverkade av konventionell PLA.

För att ett mekaniskt urverk ska fungera exakt måste geometrin för alla komponenter i mekanismen bestämmas exakt och friktionen mellan de rörliga delarna måste minimeras. Målet med Kai Schmidt-Brauns projekt var att konstruera ett urverk för det 3D-utskrivbara urverket och sedan bestämma dess geometri med hjälp av en matematisk modell. Även om den matematiska modellen ledde till en mer regelbunden rörelse uppstod frågan om det fanns andra sätt att göra rörelsen ännu mer exakt. I testerna med 3D-utskrivna komponenter tillverkade av konventionell PLA hade de hårt belastade delarna, som spärren (bestående av spärrhjul och spärrring) i upprullningsmekanismen, inte särskilt lång livslängd.

Efter testerna med rörelsen tillverkad av konventionell PLA ersatte Kai Schmidt-Brauns kritiska komponenter med exemplar tryckta av igus tribofilament iglidur i150. Jämförelsen visade att den glidande och statiska friktionen mellan iglidur i150-komponenterna minskade avsevärt. Tack vare igus-materialets höga slitstyrka ökade dessutom spärrens livslängd och det visade sig att utlösningen gick mer regelbundet.

Jugend Forscht är en tysk tävling för unga talanger för elever från 4:e klass upp till 21 års ålder. Deltagarna kan arbeta med och skicka in problem som de själva väljer inom områdena matematik, datavetenskap och naturvetenskap. Som en del av denna tävling skapade Kai Schmidt-Brauns från Wolfsburg först en matematisk modell för att fastställa den exakta geometrin för komponenterna i en 3D-printbar hemgångsmekanism. Det gällde framför allt profilhjulets profilkurva, som han kunde beräkna utifrån väldefinierade parametrar. Hemgången i en klocka är den del som avgör klockans noggrannhet. Hemtagningsmekanismen "hämmar" kugghjulet med jämna mellanrum, t.ex. med hjälp av ett ankare, och ser till att en minut i klockan motsvarar en minut och inte ibland tar 61 och ibland 55 sekunder. I nästa steg av projektet jämförde Kai Schmidt-Brauns den beräknade profilkurvan med en empiriskt fastställd profilkurva. Han fann att rörelsen med den beräknade profilkurvan har en mer regelbunden takt än den empiriskt fastställda profilkurvan.

Förutom att jämföra den matematiska formeln och den empiriskt fastställda profilkurvan testade Kai Schmidt-Brauns utlösarna med olika material. Valet föll på tribofilamentet iglidur i150. Med en bäddtemperatur på 40 °C, en utskriftshastighet på 30 mm/s vid en skikthöjd på 0,1 mm och en extrudertemperatur på 250 °C uppnådde studenten de bästa resultaten med filamentet från igus. I jämförelse med konventionell PLA kunde han också fastställa en betydligt mer regelbunden rörelse av urverket under en testkörning. Förutom resultaten i urverket kunde det tribologiskt optimerade filamentet förbättra slitstyrkan hos tungt belastade komponenter. Spärrhaken (se bild), som sitter i urverkets upprullningsmekanism, behövde bytas ut betydligt oftare med konventionell PLA än med iglidur i150. Dessutom kunde han uppmäta högre seghet och flexibilitet i tester med en spiralfjäder tryckt av iglidur i150 jämfört med den som tillverkats av konventionell PLA.

Förutom iglidur i150 erbjuder igus många andra tribologiskt optimerade filament för 3D-utskrift. Gemensamt för dem alla är att de är avsedda för glidande applikationer tack vare sin höga nötningsbeständighet. iglidur i150 kan bearbetas mycket enkelt, precis som PLA- och PETG-filament. I slitagetestet från igus eget testlaboratorium presterar igus tribofilament upp till 50 gånger bättre än konventionella plaster som PLA och ABS (se bild). Det är också livsmedelsgodkänt i enlighet med EU-förordning 10/2011 och därför lämpligt för motsvarande applikationer inom livsmedels- och förpackningsindustrin. Tack vare den enkla bearbetningen lämpar sig detta allroundfilament särskilt väl för nybörjare. 3D-utskriftstjänsten är också tillgänglig när som helst med en leveranstid på 1-3 dagar om hjälp av experter krävs.