Slijtvaste uurwerkcomponenten uit de 3D-printer

• Wat was er nodig? Onderdelen voor een mechanisch uurwerk
• Productieproces: Extrusie van filamenten (FDM)
• Vereisten: Hoge slijtvastheid, goede mechanische eigenschappen, detailnauwkeurigheid
• Materiaal: iglidur® i150
• Industrie: Modelbouw
• Succes door samenwerking: verbeterde slijtvastheid, aanzienlijk langere levensduur van de componenten, regelmatiger lopen van het echappement en dus van het uurwerk als geheel.

De toepassing in één oogopslag:
Als onderdeel van een Jugend Forscht project, construeerde Kai Schmidt-Brauns een volledig 3D printbaar uurwerk en vergeleek een wiskundig berekende profielcurve van een echappement van een mechanisch uurwerk met een empirisch bepaalde profielcurve. Om de respectieve profielcurves te testen, printte hij een mechanisch uurwerk gebaseerd op zijn wiskundig model. Naast de tests met componenten gemaakt van conventioneel PLA, testte de student uit Wolfsburg de verschillende profielcurves met componenten gemaakt van het tribofilament® iglidur® i150. Dit bevestigde betere prestaties van het echappement. Dit bevestigde een betere prestatie van het echappement met het igus® materiaal. Dankzij het tribologisch geoptimaliseerde filament konden onderdelen die worden blootgesteld aan bijzonder hoge mechanische belastingen een aanzienlijk langere levensduur en een regelmatiger werking bereiken dan onderdelen gemaakt van conventioneel PLA.

Om een mechanisch uurwerk precies te laten lopen, moet de geometrie van alle onderdelen van het mechanisme exact worden bepaald en moet de wrijving tussen bewegende delen worden geminimaliseerd. Het doel van het project van Kai Schmidt-Brauns was om een ontsnappingsmechanisme te ontwerpen voor het 3D printbare uurwerk en vervolgens de geometrie ervan te bepalen met behulp van een wiskundig model. Hoewel het wiskundige model resulteerde in een regelmatiger uurwerk, rees de vraag naar andere manieren om het uurwerk nog nauwkeuriger te maken. In de tests met 3D-geprinte onderdelen van conventioneel PLA hadden de zwaar belaste onderdelen, zoals de ratel (bestaande uit een ratelwiel en ratelring) in het opwindmechanisme, geen bijzonder hoge levensduur.

Na de tests met de beweging gemaakt van conventioneel PLA verving Kai Schmidt-Brauns kritieke onderdelen door exemplaren geprint van het igus® tribofilament® iglidur® i150. Uit de vergelijking bleek dat de glijdende en statische wrijving tussen de onderdelen gemaakt van iglidur® i150 aanzienlijk was verminderd. Bovendien werd, dankzij de hoge slijtvastheid van het igus® materiaal, de levensduur van de ratel verlengd en een regelmatiger lopen van het echappement waargenomen.

Jugend Forscht is een Duitse wedstrijd voor jong talent voor leerlingen uit de 4e klas tot 21 jaar. Deelnemers kunnen werken aan zelfgekozen problemen op het gebied van wiskunde, informatica en natuurwetenschappen en deze indienen. Als onderdeel van deze wedstrijd creëerde Kai Schmidt-Brauns uit Wolfsburg eerst een wiskundig model om de exacte geometrie van de onderdelen van een 3D-printbaar ontsnappingsmechanisme te bepalen. Dit betrof in het bijzonder de profielcurve van het profielwiel, die hij kon berekenen aan de hand van goed gedefinieerde parameters. De ontsnapping van een horloge is het onderdeel dat de nauwkeurigheid van het horloge bepaalt. Het ontsnappingsmechanisme "remt" de tandwieltrein met regelmatige tussenpozen, bijvoorbeeld met behulp van een anker, en zorgt ervoor dat één minuut in de klok overeenkomt met één minuut en niet soms 61 en soms 55 seconden duurt. In de volgende stap van het project vergeleek Kai Schmidt-Brauns de berekende profielcurve met een empirisch bepaalde profielcurve. Hij ontdekte dat de beweging met de berekende profielcurve een regelmatiger tempo heeft dan de empirisch bepaalde profielcurve.

Naast het vergelijken van de wiskundige formule en de empirisch bepaalde profielcurve, testte Kai Schmidt-Brauns de echappementen met verschillende materialen. De keuze viel op het tribofilament® iglidur® i150. Met een bedtemperatuur van 40 °C, een printsnelheid van 30 mm/s bij een laaghoogte van 0,1 mm en een extrudertemperatuur van 250 °C behaalde de student de beste resultaten met het filament van igus®. In vergelijking met conventioneel PLA kon hij tijdens een test ook een aanzienlijk regelmatiger beweging van het sluitmechanisme vaststellen. Naast de resultaten in het echappement, was het tribologisch geoptimaliseerde filament in staat om een verbetering te bieden met zijn slijtvastheid in zwaar belaste componenten. De palring van de ratel (zie foto), die zich in het opwindmechanisme van het uurwerk bevindt, moest aanzienlijk vaker worden vervangen met conventioneel PLA dan met iglidur® i150. Daarnaast kon hij een hogere taaiheid en flexibiliteit vastleggen in vergelijking met die van conventioneel PLA door tests met een spiraalveer geprint van iglidur® i150.

Naast iglidur® i150 biedt igus® nog veel meer tribologisch geoptimaliseerde filamenten voor 3D printen. Ze hebben allemaal gemeen dat ze bedoeld zijn voor glijdende toepassingen dankzij hun hoge slijtvastheid. iglidur® i150 kan net als PLA- en PETG-filamenten heel gemakkelijk worden verwerkt. In de slijtagetest van het igus® testlaboratorium presteren de igus® tribofilamenten tot 50 keer beter dan conventionele kunststoffen zoals PLA en ABS (zie afbeelding). Het is ook geschikt voor levensmiddelen in overeenstemming met EU-verordening 10/2011 en daarom geschikt voor overeenkomstige toepassingen in de levensmiddelen- en verpakkingsindustrie. Het allrounder filament is dankzij het verwerkingsgemak bijzonder geschikt voor beginnende printers. De 3D printservice is ook altijd beschikbaar met een levertijd van 1-3 dagen als de hulp van experts nodig is.