От прототипа до конечного продукта - готовые к установке шарикоподшипники как результат 3D-печати

• Что требовалось: подшипники скольжения для рулевого управления в конструкции изготовленного на 3D-принтере автомобиля
• Способ изготовления: Экструзия волокон (FDM)
• Требования: небольшой люфт, высокая прочность, высокая стойкость к истиранию
• Материал: iglidur I150
• Отрасль: автомобилестроение
• Успешный результат совместных усилий: хорошее качество поверхности, снижение сроков изготовления благодаря 3D-печати без использования форм, больше времени на разработку, небольшой люфт подшипника или полное его отсутствие

 
Краткий обзор варианта применения:
Компания Scaled 3D из Великобритании в рамках собственного проекта «Хамелеон» разработала четырехколесный автомобиль, состоящий исключительно из компонентов, изготовленных на 3D-принтере. Во время испытаний автомобиля конструкция системы рулевого управления показала себя не с лучшей стороны. Подшипники рулевого управления имели слишком большой люфт и существенную степень износа. С учетом необходимости использования исключительно узлов и агрегатов, изготовленных на 3D-принтере, компания начала поиски прочного, износостойкого материала, который был бы более пригодным для подшипниковых узлов. Проведя различные испытания в больших и малых форматах с трибоволокном iglidur I150, группа разработчиков, наконец, смогла разработать подшипник скольжения, состоящий из пяти компонентов, имеющий малый люфт и существенно более устойчивый к истиранию по сравнению с подшипниками из обычного полимера. При этом условие было соблюдено, ведь компонент, по-прежнему, изготавливался на 3D-принтере.
 

Проект "Chameleon" британской компании Scaled 3D был направлен на создание автомобиля только из компонентов, созданных на 3D-принтере.

Проблема

Система рулевого управления автомобиля имела слишком большой люфт и требовалось восстановить корректное управление автомобилем. Кроме того, был риск быстрого износа компонентов системы. Поэтому конструкторам пришлось изготовить другие подшипники рулевого управления, уменьшив люфт рулевого колеса, по заданным размерам и с учетом габаритов других узлов автомобиля. Глубина установки подшипников скольжения не должна превышать 20 мм. Нижний из двух подшипников также должен быть иметь составную внутреннюю обойму для удобства монтажа рулевой колонки, на концах которой установлены два комплекта радиальных винтов. Компоненты также должны были быть намного более прочными, чем ранее установленные подшипники из стандартного полимера PLA.
 

Решение

Специалисты компании Scaled 3D открыли для себя идеальный материал, используемый в рамках проекта "Chameleon", это iglidur I150-PF с улучшенными трибологическими свойствами. Волокно легко поддается обработке на принтере для больших объемов печати, обладает хорошими механическими свойствами в плане прочности, ударной вязкости и адгезии слоев для систем скольжения. Подшипник был преобразован в состоящий из пяти элементов шарикоподшипники, который сначала был выбран для испытаний в качестве прототипа. Во ходе испытаний люфт в подшипнике был крайне мал при эксцентрических нагрузках при вращении. Испытания на стадии разработки имели решающее значение, поскольку компоненты для реальной эксплуатации будут производиться по этой же технологии.
 

Проект "Chameleon" - надежная эксплуатация изделия из полимера с учетом индивидуальных особенностей оборудования заказчика

Основная цель британского проекта "Chameleon" заключалась в разработке автомобиля, полностью собранного из компонентов, изготовленных на 3D-принтере. Идея проекта - это символ перехода от серийного производства к оперативному изготовлению изделия по индивидуальному заказу. В то же время аддитивное производство должно было позволить применение материалов вторичной переработки. По мнению представителей фирмы Scaled 3D, в будущем можно будет использовать 100% переработанный материал в автомобилях и конструкциях, производимых на 3D-принтере. До сих пор команде "Chameleon" удалось применить 30% материалов вторичной переработки для начального прототипа 2020 года. Скорость, с которой детали могут быть напечатаны на 3D-принтере, является особым преимуществом для этого проекта: максимальное время печати 83 минуты для большой детали (1375 кг) означало, что эти детали можно было нарисовать, напечатать и протестировать в течение одного дня. Большое преимущество в скорости обработки в сравнении с такими процессами, как фрезерование и литье под давлением, крайне положительно сказалось на свободе конструирования транспортных средств, чему способствовала свобода конструирования деталей различной геометрии.
 

Подшипники для рулевого управления также производятся на принтере для печати крупных форм

Путь к правильному выбору подшипников

Для получения представления о трибологических свойствах волокон iglidur I150 специалисты компании сначала испытали изделия в небольшом формате. Сначала были изготовлены вложенные цилиндры, их необработанные поверхности уже оказались достаточно хорошего качества по сравнению с другими материалами. Затем детали изготовили в крупном формате, качество их поверхности стало одной из впечатляющих характеристик. После всего этого шарикоподшипник для замены изготовлен из полимера iglidur I150. Дорожки качения из материала I150 и сепаратор шарикоподшипника оказались хорошо совместимыми для скольжения и эксплуатации с низким коэффициентом трения. В результате появился шарикоподшипник, состоящий из пяти компонентов.
 

Прототип шарикового подшипника: слева обычный полимер, справа iglidur I150

Волокно универсального применения в ассортименте трибоволокон igus - iglidur I150

В ходе испытаний шарикоподшипника iglidur I150 люфт оставался крайне малым при эксцентрических нагрузках во время вращения. Затем была разработана система с двумя подшипниками для установки в систему рулевого управления Chameleon. По словам представителя фирмы Scaled 3D, качество печати волокна iglidur I150 сопоставимо с качеством печати ASA и намного лучше, чем для обычных полимеров PLA. Несмотря на высоту слоя 1 мм, качество поверхности оставалось на высоком уровне. Помимо хорошего качества комплектующих специалисты компании оценили простоту сборки деталей. Трибоволокно подходит как для изготовления небольших по размеру компонентов, так и для реализации проектов на крупноформатном принтере. Материал обладает хорошими механическими свойствами и поэтому подходит для большинства вариантов применения и типов 3D-принтеров. iglidur I150 также имеет допуск для контакта с пищевыми продуктами в соответствии с Регламентом ЕС 10/2011 и подходит для применения в пищевой и упаковочной промышленности.
 

Трибофиламент iglidur I150 подходит для применения на 3D-принтерах всех типов.