Slitstarka urverksdelar från 3D-skrivaren

• Vad behövdes: komponenter för ett mekaniskt urverk
• Tillverkningsmetod: filamentextrudering (FDM)
• Krav: hög nötningsbeständighet, goda mekaniska egenskaper, detaljprecision
• Material: iglidur I150
• Bransch: modelltillverkning
• Framgång genom samarbete: förbättrat slitstyrka, betydligt högre livslängd för komponenterna, mer regelbunden gång vilket får hela urverket att gå jämnare

Tillämpningen i korta drag:
Inom ramen för ett Jugend Forscht-projekt konstruerade Kai Schmidt-Brauns ett urverk som kunde skrivas ut helt med 3D-skrivare och jämförde en matematiskt beräknad profilkurva för ett mekaniskt urverks gång med en empiriskt fastställd profilkurva. För att kunna testa de aktuella profilkurvorna skrev han ut ett mekaniskt urverk på basis av sin matematiska modell. Vid sidan av försöken med komponenter av vanlig PLA testade denna student från Wolfsburg de olika profilkurvorna med komponenter av tribofilamentet iglidur I150. Genom testerna kunde han konstatera att igus material gav bättre gång. Tack vare det tribologiskt optimerade filamentet har komponenter som utsätts för särskilt stora mekaniska påfrestningar en betydligt högre livslängd och mer regelbunden gång än delar som är tillverkade av vanlig PLA.
 

Det mekaniska urverket framifrån: energin lagras i drivfjädern

Problem

För att ett mekaniskt urverk ska fungera exakt måste geometrin hos alla mekanismens komponenter bestämmas exakt och friktionen mellan rörliga delar måste hållas så låg som möjligt. Syftet med Kai Schmidt-Brauns projekt var att konstruera en gångmekanism för ett urverk som kan skrivas ut med 3D-skrivare och sedan bestämma dess geometri med hjälp av en matematisk modell. Även om den matematiska modellen ledde till mer regelbunden gång i urverket, uppstod frågan om det finns andra möjligheter att göra klockan ännu mer exakt. I testerna med 3D-utskrivna komponenter av konventionell PLA hade de hårt belastade delarna, som t.ex. spärren (bestående av spärrhjul och spärrkrans) i drivfjädern ingen särskilt hög livslängd.

Lösning

Efter testerna med urverket av konventionell PLA ersatte Kai Schmidt-Brauns kritiska komponenter med kopior som skrevs ut av igus tribofilament iglidur I150. Jämförelsen visade att glidning och statisk friktion mellan komponenterna av iglidur I150 minskat avsevärt. Tack vare igus-materialets höga slitstyrka kan dessutom spärrens livslängd ökas och urverket få en jämnare gång.

Ett exakt urverk som tillverkas helt med en 3D-skrivare

Jugend Forscht är en tysk tävling för unga från 4:e klass upp till 21 år. Deltagarna kan arbeta med och lämna in sina egna problemställningar inom områdena matematik, informatik och naturvetenskap. Som en del av denna tävling skapade Kai Schmidt-Brauns från Wolfsburg först en matematisk modell för att fastställa den exakta geometrin hos komponenterna i en gångmekanism som kan skrivas ut med 3D-skrivare. Det handlade särskilt om profilhjulets profilkurva, som han kunde beräkna utifrån väldefinierade parametrar. En klockas gångmekanism är den del som bestämmer klockans precision. Gångmekanismen ”hämmar” urverket med jämna mellanrum, till exempel med hjälp av ett ankare, och säkerställer att en minut i klockan motsvarar en minut och inte tar 61 eller 55 sekunder. Under nästa steg i projektet jämförde Kai Schmidt-Brauns den beräknade profilkurvan med en empiriskt bestämd profilkurva. Han kunde därvidlag konstatera att urverket med den beräknade profilkurvan hade en mer regelbunden gång än den empiriskt fastställda profilkurvan.

Baksidan av det mekaniska urverket: längst till vänster är profilhjulet, vars profilkurva måste bestämmas exakt

Mer exakt gång med iglidur I150

Förutom att jämföra den matematiska formeln med den empiriskt bestämda profilkurvan testade Kai Schmidt-Brauns gångmekanismerna med olika material. Valet föll på tribofilamentet iglidur I150. Med en bäddtemperatur på 40 °C, en utskriftshastighet på 30 mm/s med en skikttjocklek på 0,1 mm och en extruderingstemperatur på 250 °C uppnådde eleven de bästa resultaten med filamentet från igus. Jämfört med konventionell PLA kunde han också konstatera att urverket gick avsevärt jämnare under ett test. Utöver resultaten med gångverket kunde det tribologiskt optimerade filamentet förbättra slitstyrkan hos tungt belastade komponenter. Spärrkransen (se bilden), som finns i urverkets drivmekanism, måste ersättas betydligt oftare med konventionell PLA än med iglidur I150. Dessutom, genom tester med en utskriven spiralfjäder av iglidur I150, kunde han registrera en högre seghet och flexibilitet jämfört med den som gjordes av konventionell PLA.

Spärren av iglidur I150 består av ett spärrhjul och en spärrkrans

igus tribofilament för tillämpningar med högre livslängd

Utöver iglidur I150 har igus många andra tribologiskt optimerade filament för 3D-utskrift i sitt sortiment. De har alla det gemensamt att de, på grund av den höga nötningsbeständigheten, är lämpliga för glidande tillämpningar. I likhet med PLA- och PETG-filament är iglidur I150 mycket lätta att bearbeta. I slitagetestet i igus eget testlaboratorium presterade igus tribofilament upp till 50 gånger bättre än konventionella plaster som PLA och ABS (se bild). Dessutom är det livsmedelsgodkänt enligt EU-förordning 10/2011 och därför lämpligt för motsvarande tillämpningar inom livsmedels- och förpackningsindustrin. Eftersom universalfilamentet är så lätt att bearbeta är det särskilt lämpligt för de som precis börjat använda 3D-utskriftsteknik. Men en leveranstid på 1–3 dagar är 3D-utskriftstjänsten alltid tillgänglig om du behöver hjälp av fackpersonal.

Slitagetest iglidur I150: Y-axel: slitage [μm/km] 1. iglidur I150 2. iglidur I180 3. PLA 4. ABS testparametrar (linjär rörelse) : v = 0.1 m/s; p = 1 MPa; axelmaterial: härdat stål (Cf53/1.1213) och rostfritt stål (V2A/1.4301)