Hodinové díly odolné proti opotřebení vyrobené 3D tiskem

• Co bylo potřeba: Komponenty pro mechanický hodinový strojek
• Výrobní postup: Vytlačování vláken (FDM)
• Požadavky: Vysoká odolnost proti oděru, dobré mechanické vlastnosti, přesnost detailů.
• Materiál: iglidur® i150
• Odvětví: Výroba, zpracování a distribuce plastů, výroba, zpracování a distribuce plastů: Modelářství
• Úspěch díky spolupráci: zvýšená odolnost proti opotřebení, výrazně vyšší životnost komponentů, pravidelnější chod sklíčidla, a tím i celého mechanismu.

Aplikace na první pohled:
V rámci projektu Jugend Forscht zkonstruoval Kai Schmidt-Brauns kompletně 3D tisknutelný strojek a porovnal matematicky vypočtenou profilovou křivku skluzu mechanického strojku s empiricky zjištěnou profilovou křivkou. Aby otestoval příslušné profilové křivky, vytiskl na základě svého matematického modelu mechanický strojek. Kromě testů s komponentami z běžného PLA testoval student z Wolfsburgu různé profilové křivky také s komponentami z tribofilamentu® iglidur® i150. Potvrdil tak lepší výkonnost escapementu s materiálem igus®. Díky tribologicky optimalizovanému vláknu dosáhly součásti, které jsou vystaveny obzvláště vysokému mechanickému zatížení, výrazně delší životnosti a pravidelnějšího chodu než součásti vyrobené z běžného PLA.

Aby mechanický pohyb fungoval přesně, musí být přesně určena geometrie všech součástí mechanismu a tření mezi pohyblivými částmi musí být minimalizováno. Cílem projektu Kaie Schmidt-Braunse bylo navrhnout eskapementový mechanismus pro 3D tisknutelný pohyb a následně určit jeho geometrii pomocí matematického modelu. Ačkoli výsledkem matematického modelu byl pravidelnější pohyb, vyvstala otázka, jakým jiným způsobem pohyb ještě zpřesnit. Při testech s 3D tištěnými součástmi vyrobenými z běžného PLA neměly silně zatěžované díly, jako je například západka (skládající se ze západkového kola a západkového kroužku) v natahovacím mechanismu, příliš vysokou životnost.

Po testech s pohybem z konvenčního PLA nahradil Kai Schmidt-Brauns kritické komponenty vzorky vytištěnými z tribofilamentu igus®® iglidur® i150. Srovnání ukázalo, že se výrazně snížilo kluzné a statické tření mezi součástmi vyrobenými z igliduru® i150. Kromě toho se díky vysoké odolnosti materiálu igus® proti opotřebení zvýšila životnost západky a byl pozorován pravidelnější chod spínacího mechanismu.

Jugend Forscht je německá soutěž mladých talentů pro žáky od 4. třídy do 21 let. Účastníci mohou pracovat na problémech z oblasti matematiky, informatiky a přírodních věd, které si sami vyberou, a zasílat je. V rámci této soutěže Kai Schmidt-Brauns z Wolfsburgu nejprve vytvořil matematický model, který měl určit přesnou geometrii součástí skládacího mechanismu, který lze vytisknout na 3D tiskárně. Jednalo se zejména o profilovou křivku profilového kola, kterou dokázal vypočítat z přesně definovaných parametrů. Sběrací mechanismus hodinek je součástí, která určuje přesnost hodinek. Escapementový mechanismus "v pravidelných intervalech brzdí" převodový mechanismus, například pomocí kotvy, a zajišťuje, aby jedna minuta v hodinách odpovídala jedné minutě a netrvala někdy 61 a jindy 55 sekund. V dalším kroku projektu Kai Schmidt-Brauns porovnal vypočtenou profilovou křivku s empiricky zjištěnou profilovou křivkou. Zjistil, že pohyb s vypočtenou profilovou křivkou má pravidelnější tempo než empiricky určená profilová křivka.

Kromě porovnání matematického vzorce a empiricky zjištěné profilové křivky testoval Kai Schmidt-Brauns úniky s různými materiály. Volba padla na tribofilament® iglidur® i150. Při teplotě lože 40 °C, rychlosti tisku 30 mm/s při výšce vrstvy 0,1 mm a teplotě extrudéru 250 °C dosáhl student nejlepších výsledků s filamentem igus®. Ve srovnání s běžným PLA se mu také podařilo během zkušebního tisku zjistit výrazně pravidelnější pohyb úběžníku. Kromě výsledků u escapementu dokázalo tribologicky optimalizované vlákno zajistit zlepšení odolnosti proti opotřebení u silně zatížených součástí. Západkový kroužek ráčny (viz obrázek), který je umístěn v natahovacím mechanismu hodinového stroje, musel být s běžným PLA vyměňován podstatně častěji než s iglidurem® i150. Kromě toho se mu prostřednictvím testů se spirálovou pružinou vytištěnou z igliduru® i150 podařilo zaznamenat vyšší houževnatost a pružnost ve srovnání s pružinou vyrobenou z konvenčního PLA.

Kromě igliduru® i150 nabízí igus® mnoho dalších tribologicky optimalizovaných vláken pro 3D tisk. Všem je společné, že jsou díky vysoké odolnosti proti oděru určena pro kluzné aplikace. iglidur® i150 lze velmi snadno zpracovávat stejně jako filamenty PLA a PETG. V testu opotřebení ze zkušební laboratoře igus® dosahují tribofilamenty igus® až 50krát lepších výsledků než běžné plasty, jako jsou PLA a ABS (viz obrázek). Je také v souladu s nařízením EU č. 10/2011 vyhovující potravinám, a proto je vhodné pro odpovídající aplikace v potravinářském a obalovém průmyslu. Univerzální filament je díky snadnému zpracování vhodný zejména pro začínající tiskaře. V případě potřeby pomoci odborníků je kdykoli k dispozici také služba 3D tisku s dodací lhůtou 1-3 dny.