Slijtvaste uurwerkcomponenten uit de 3D-printer

• Wat er nodig was: componenten voor een mechanische klok
• Productiemethode: filament extrusie (FDM)
• Vereisten: hoge abrasiebestendigheid, goede mechanische eigenschappen, detailnauwkeurigheid
• Materiaal: iglidur I150
• Industrie: modelbouw
• Succes voor de klant: verbeterde slijtvastheid, een significant langere levensduur van het component, een regelmatigere loop van het echappement en dus van de klok als geheel

De toepassing in één oogopslag:
als onderdeel van een Jugend Forscht project, construeerde Kai Schmidt-Brauns een volledig 3D-printbare klok en vergeleek een wiskundig berekende profielcurve van een mechanisch uurwerk echappement met een empirisch bepaalde profielcurve. Om elke profielcurve te testen, printte hij het mechanische uurwerk op basis van zijn wiskundige model. Naast de experimenten met componenten gemaakt van conventioneel PLA, testte Schmidt-Brauns de verschillende profielcurves met componenten gemaakt van het iglidur I150 tribofilament. Dit bevestigde dat het echappement met het igus materiaal beter presteerde. Dankzij het tribologisch geoptimaliseerde filament, konden componenten die waren blootgesteld aan bijzonder hoge mechanische belastingen een significant langere levensduur realiseren en een regelmatigere loop dan hun tegenhangers gemaakt van conventioneel PLA.
 

Het mechanische uurwerk van de voorzijde: energie wordt opgeslagen in het opwindmechanisme

Probleem

Om er voor te zorgen dat een mechanische klok goed loopt, moet de geometrie van alle componenten van het mechanisme nauwkeurig worden bepaald en moet de wrijving tussen bewegende delen zo laag mogelijk worden gehouden. Het doel van Kai Schmidt-Brauns' project was het ontwerpen van een echappement voor een uurwerk dat met 3D-printen gemaakt kon worden en het vervolgens bepalen van zijn geometrie met een wiskundig model. Hoewel het wiskundige model leidde tot een regelmatigere beweging van het uurwerk, kwam de vraag op of er andere manieren waren om de klok nog nauwkeuriger te maken. Daarnaast hadden bij de testen de middels 3D geprinte componenten gemaakt van PLA, de zwaar belaste onderdelen, zoals het palwiel (palwiel en rand) in de lift, geen bijzonder lange levensduur.

Oplossing

Na de testen met het uurwerk van conventioneel PLA, verving Kai Schmidt-Brauns verschillende kritische onderdelen met exemplaren van het igus iglidur I150 tribofilament. In de vergelijking viel het op dat de glijdende- en statische wrijving tussen de componenten gemaakt van iglidur I150 significant was gereduceerd. Daarnaast kon de levensduur van het palwiel worden verhoogd dankzij de hoge slijtvastheid van het igus materiaal en werd ook een regelmatigere loop van het echappement gerealiseerd.

Een nauwkeurige klok volledig uit de 3D-printer

Jugend Forscht is een Duitse wedstrijd voor jonge onderzoekers van de 4e klas tot de leeftijd van 21 jaar. Deelnemers kunnen aan problemen werken en deze indienen op het gebied van wiskunde, computerwetenschappen en natuurwetenschappen. Als onderdeel van deze competitie, stelde Kai Schmidt-Brauns uit Wolfsburg eerst een wiskundig model op om de exacte geometrie van componenten te bepalen van een middels 3D te printen echappement. Dit betrof met name de profielcurve van het profielwiel, dat hij kon berekenen uit goed gedefinieerde parameters. Het echappement van een horloge is het deel dat de nauwkeurigheid van het horloge bepaald. Het echappement mechanisme 'blokkeert' de tandwielen met regelmatige intervallen, bijvoorbeeld met behulp van een anker en zorgt ervoor dat één minuut in de klok ook correspondeert 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 het uurwerk met de berekende profielcurve een regelmatigere werking had dan de empirisch bepaalde profielcurve.

Het mechanische uurwerk van de achterkant: uiterst links is het tandwiel, waarvan de profielcurve exact moet worden bepaald

Nauwkeurigere beweging met iglidur I150

Behalve het vergelijken van de wiskundige formule en de empirisch bepaalde profielcurve, testte Kai Schmidt-Brauns de echappements met verschillende materialen. De keuze viel op het iglidur I150 tribofilament. Met een bedtemperatuur van 40°C, een printsnelheid van 30 mm/s en een laaghoogte van 0,1 mm en een extrudertemperatuur van 250°C, realiseerde de student de beste resultaten met het filament van igus. Vergeleken met het conventionele PLA, was hij in staat een veel regelmatiger echappement te detecteren tijdens een testrun. Behalve de resultaten in het echappement, was het tribologisch geoptimaliseerde filament in staat een verbetering in de zwaar belaste componenten te bieden. De palwielrand van het palwiel (zie afbeelding), dat zich bevindt in het opwindmechanisme van de klok, moest significant vaker worden vervangen bij gebruik van PLA dan bij iglidur I150. Daarnaast was hij in staat door middel van testen met een spiraalveer geprint van iglidur I150 een hogere taaiheid en plooibaarheid te registreren vergeleken met degene die was gemaakt van conventioneel PLA.

De pal gemaakt van iglidur I150 bestaat uit het palwiel en de palwielrand.

igus tribofilamenten voor een langere levensduur van de toepassingen

Naast iglidur I150 biedt igus vele andere tribologisch geoptimaliseerde filamenten voor 3D-printen. Ze hebben alle hun hoge slijtvastheid voor glijdende toepassingen gemeenschappelijk. iglidur I150 kan heel gemakkelijk worden verwerkt, net als PLA en PETG filamenten. In de slijtagetest uitgevoerd in het eigen igus laboratorium, presteren de tribofilamenten tot wel 50 maal beter dan de conventionele kunststoffen zoals PLA en ABS (zie afbeelding). Het is ook levensmiddelencompatibel overeenkomstig de EU-regelgeving 10/2011 en daarmee geschikt voor de betreffende toepassingen in de levensmiddelen- en verpakkingsindustrie. Het all-rounder filament is bijzonder geschikt voor beginnende gebruikers van 3D-printers omdat het gemakkelijk te verwerken is. De 3D-printservice is ook altijd beschikbaar met een leveringstijd van 1-3 dagen wanneer hulp van een expert nodig is.

iglidur I150 slijtagetest: Y-as = slijtagesnelheid [μm/km] 1. iglidur I150 2. iglidur I180 3. PLA 4. ABS-testparameters (lineaire beweging): v = 0,1 m/s; p = 1 MPa; materiaal as: gehard staal (Cf53/1.1213) en roestvaststaal (V2A/1.4301)