Hodinové díly odolné proti opotřebení vyrobené 3D tiskem

• Co bylo zapotřebí: součásti pro hodinový mechanismus
• Výrobní metoda: vytlačování vláken (FDM)
• Požadavky: vysoká odolnost proti otěru, dobré mechanické vlastnosti, přesnost detailů
• Materiál: iglidur I150
• Odvětví: výroba modelů
• Úspěšné řešení pro zákazníka: vylepšená odolnost proti opotřebení, výrazně delší životnost součástí, pravidelnější chod krokového ústrojí, a tím pádem i pravidelnější celkový pohyb

Přehled aplikace:
V rámci projektu Jugend Forscht zkonstruoval Kai Schmidt-Brauns hodinový mechanismus zcela vyrobitelný 3D tiskem a porovnal matematicky vypočtenou profilovou křivku krokového ústrojí s empiricky zjištěnou profilovou křivkou. Aby bylo možné otestovat jednotlivé profilové křivky, vytiskl hodinový mechanismus na základě svého matematického modelu. Kromě experimentů se součástmi vyrobenými z běžného PLA testoval Schmidt-Brauns různé profilové křivky u součástí vyrobených z tribologického vlákna iglidur I150. To potvrdilo lepší výkonnost krokového ústrojí s materiálem igus. Díky tribologicky optimalizovanému vláknu byly součásti vystavené mimořádně vysokému mechanickému zatížení schopny dosahovat výrazně delší životnosti a pravidelnějšího chodu než díly vyrobené z běžného materiálu PLA.
 

Hodinový mechanismus zepředu: Energie se ukládá v navíjecím mechanismu

Problém

Aby hodinový mechanismus fungoval přesně, je nutné přesně stanovit geometrii všech součástí a dosáhnout co nejnižšího tření mezi pohyblivými díly. Cílem projektu Kaie Schmidta-Braunse bylo navrhnout krokové ústrojí pro hodinový mechanismus vyrobitelný 3D tiskem a následně stanovit jeho geometrii na základě matematického modelu. Ačkoli vedl matematický model k pravidelnějšímu pohybu hodinového mechanismu, nabízela se otázka, jakými dalšími způsoby lze hodinový mechanismus ještě zpřesnit. Testy součástí vyrobených 3D tiskem z běžného materiálu PLA navíc ukázaly, že těžce namáhané díly, jako je západka (tvořená západkovým kolem a západkovou páčkou) ve zdvihu, nemají příliš dlouhou životnost.

Řešení

Po provedení testů hodinového mechanismu vyrobeného z běžného materiálu PLA nahradil Kai Schmidt-Brauns kriticky důležité součásti vzorky vyrobenými tiskem z tribologického vlákna iglidur I150 společnosti igus. Srovnání odhalilo, že kluzné a statické tření mezi součástmi vyrobenými z materiálu iglidur I150 bylo výrazně nižší. Díky vysoké odolnosti proti opotřebení materiálu igus bylo navíc možné zvýšit životnost západky a dosáhnout pravidelnějšího pohybu krokového ústrojí.

Přesný hodinový mechanismus kompletně vyrobený 3D tiskem

Jugend Forscht je německá soutěž pro mladé výzkumníky ze 4. ročníku do 21 let. Účastníci mohou pracovat na problémech a předkládat vlastní řešení v oblasti matematiky, informatiky a přírodních věd. V rámci této soutěže nejprve Kai Schmidt-Brauns z Wolfsburgu navrhl matematický model pro stanovení přesné geometrie součástí krokového ústrojí vyrobitelného 3D tiskem. To zahrnovalo zejména zakřivení profilu profilového kola, které vypočítal na základě dobře definovaných parametrů. Krokové ústrojí hodinek je součástí, která určuje jejich přesnost. Krokové ústrojí v pravidelných intervalech „zabržduje“ sérii převodů, například pomocí speciální vidličky. Zajišťuje tak, že jedna minuta na hodinkách skutečně odpovídá jedné minutě a netrvá někdy 61 a jindy 55 vteřin. V dalším kroku projektu srovnal Kai Schmidt-Brauns vypočtené zakřivení profilu s empiricky zjištěnou hodnotou. Zjistil, že pohyb s vypočteným zakřivením profilu byl pravidelnější než u empiricky zjištěné hodnoty.

Hodinové ústrojí zezadu: Úplně vlevo se nachází profilové kolo, jehož profil zakřivení bylo nutné přesně stanovit

Přesnější pohyb s materiálem iglidur I150

Kromě srovnání matematického výpočtu a empiricky zjištěného zakřivení profilu otestoval Kai Schmidt-Brauns také různé materiály krokového ústrojí. Volba padla na tribologické vlákno iglidur I150. Při teplotě lože 40 °C, rychlosti tisku 30 mm/s, výšce vrstvy 0,1 mm a teplotě extrudéru 250 °C dosáhl student nejlepších výsledků s vláknem společnosti igus. Oproti běžnému materiálu PLA dokázal také během zkušebního chodu detekovat mnohem přesnější krok. Kromě výsledků krokového ústrojí nabízí tribologicky optimalizované vlákno díky odolnosti proti opotřebení také zlepšení u těžce namáhaných součástí. Západková páčka západky (viz obrázek), která se nachází v navíjecím mechanismu hodin, vyžadovala při použití běžného materiálu PLA mnohem častější výměnu než v případě použití iglidur I150. Po provedení dalších testů se spirálovou pružinou vyrobenou tiskem z materiálu iglidur I150 navíc zaznamenal vyšší pevnost a ohebnost ve srovnání s dílem vyrobeným z běžného materiálu PLA.

Západka vyrobená z materiálu iglidur I150 je tvořena západkovým kolem a západkovou páčkou

Tribologická vlákna igus prodlužují životnost aplikací

Kromě materiálu iglidur I150 nabízí společnost igus spoustu dalších tribologicky optimalizovaných vláken pro 3D tisk. Všechny mají společnou vysokou odolnost proti otěru v kluzných aplikacích. Materiál iglidur I150 lze zpracovat velmi snadno, stejně jako vlákna PLA a PETG. V testu opotřebení provedeném ve vlastní zkušební laboratoři igus dosahují tribologická vlákna igus až 50krát lepších výsledků než běžné plasty jako PLA a ABS (viz obrázek). Materiál je zároveň schválený pro potravinářské použití v souladu se směrnicí EU 10/2011, a tím pádem se hodí pro příslušné aplikace v potravinářském a obalovém průmyslu. Díky snadnému zpracování je univerzální vlákno mimořádně vhodné pro nováčky v oblasti 3D tisku. Služba 3D tisku je rovněž kdykoli k dispozici a nabízí dodací termín 1 až 3 dny, pokud byste potřebovali pomoc experta.

Test opotřebení iglidur I150: Osa Y = rychlost opotřebení [μm/km] 1. iglidur I150 2. iglidur I180 3. PLA 4. ABS testovací parametry (lineární pohyb): v = 0,1 m/s; p = 1 MPa; materiály hřídele: kalená ocel (Cf53/1.1213) a nerezová ocel (V2A/1.4301)