Износостойкие детали часового механизма, изготовленные на 3D-принтере

• Что требовалось: компоненты для механических часов
• Способ изготовления: Экструзия волокон (FDM)
• Требования: высокая степень стойкости к истиранию, хорошие механические свойства, точность изготовления компонентов
• Материал: iglidur I150
• Отрасль: модельное конструирование
• Успех для клиента: улучшенная износостойкость, значительное увеличение срока службы компонентов, более четкая работа регулятора хода и, следовательно, в целом, работа часового механизма

Краткий обзор варианта применения:
В рамках проекта Jugend Forscht Кай Шмидт-Браунс сконструировал часовой механизм, который можно в полном объеме изготовить на 3D-принтере и сравнил математически рассчитанную кривую профиля механического часового спуска с эмпирически определенной кривой профиля. Для проверки правильности траектории каждой из двух кривых профиля он изготовил на 3D-принтере механический часовой механизм на основе своей математической модели. В дополнение к экспериментам с компонентами, изготовленными из обычного PLA, Шмидт-Браунс протестировал различные кривые профиля с компонентами, изготовленными из трибоволокна iglidur I150. Эксперименты подтвердили, что спусковой механизм из материала igus работает лучше. Благодаря трибологически оптимизированному волокну компоненты, которые подвергаются особенно высоким механическим нагрузкам, смогли продемонстрировать существенное увеличение срока службы и лучшие функциональные возможности в сравнении с компонентами из обычного PLA.
 

Энергия для работы механических часов накоплена в заводном механизме

Проблема

Для точного хода часов необходимо четко выверить геометрию всех компонентов механизма, а трение между движущимися частями должно быть минимальным. Цель проекта Кая Шмидт-Браунса заключалась в подготовке конструкционного чертежа спускового механизма для механических часов с целью изготовления узла на 3D-принтере, и в последующем определении геометрии механизма с помощью математической модели. Хотя созданная математическая модель механизма и обеспечила более точный ход часов, возник вопрос, а какие еще есть способы изготовления деталей часового механизма, требующие высокой точности. Причем в ходе тестирования компонентов, изготовленных на 3D-принтере из обычного полимера PLA, сильно нагруженные детали, такие как храповик (состоящий из храпового колеса и храпового колеса) в спусковом механизме, не отличались длительным сроком службы.

Решение

После тестирования механизма часов, изготовленного из обычного PLA Кай Шмидт-Браунс выполнил замену критически важных компонентов аналогичными, изготовленными из трибоволокна iglidur I150. При сравнении стало очевидным, что скольжение и статическое трение между компонентами, изготовленными из iglidur I150, значительно уменьшились. Кроме того, благодаря высокой износостойкости материала igus удалось увеличить срок службы храпового механизма и обеспечить повышенную точность и плавность работы спускового механизма.

Точная работа часового механизма, полностью изготовленного на 3D-принтере

Jugend Forscht - это немецкий конкурс для молодых исследователей, в котором участвуют молодые люди с 4-го года обучения до возраста 21 года. Участники конкурса могут выбрать проблему для поиска ее решения в области математики, информатики и естественных наук. Участвуя в конкурсе, Кай Шмидт-Браунс из Вольфсбурга впервые создал математическую модель для определения точной геометрии компонентов спускового механизма из материалов 3D-печати. Она, в частности, отображала динамическую характеристику профильного колеса, которую ему удалось рассчитать на базе строго определенных параметров. Спусковой механизм - это узел, отвечающий за точность хода часов. Механизм спуска «блокирует» зубчатую передачу через равные промежутки времени, для этого предназначена, например, анкерная вилка с палетами, тем самым гарантируется, что одна минута в часах также соответствует одной минуте и не длится то 61, то 55 секунд. На следующем этапе проекта Кай Шмидт-Браунс сравнил полученную в ходе расчета динамическую характеристику с характеристикой, полученной эмпирически. Он обнаружил, что расчетная характеристика обеспечивает большую плавность хода, чем полученная эмпирически.

Механизм часов, вид сзади: крайнее левое профильное колесо, определение динамической характеристики которого требуется высокой точности

Повышение точности хода за счет применения материала iglidur I150

Помимо сравнения математической формулы и эмпирически полученными данными, Кай Шмидт-Браунс проверил работу спускового механизма, собранного из альтернативных материалов. Выбор был сделан в пользу трибоволокна iglidur I150. При температуре основания 40 ° C, скорости печати 30 мм/с, при высоте слоя 0,1 мм и температуре экструдера 250 ° C студент получил наилучший результат при использовании филамента от igus. В сравнении с обычным PLA в ходе теста ему удалось добиться более точной работы спускового механизма. В дополнение к результатам тестов спускового механизма волокно с улучшенными трибологическими свойствами обеспечило повышение износостойкости сильно нагруженных элементов. Венец храпового механизма (см. Рисунок) в составе заводного механизма часов, выполненный из обычного материала PLA, требовал более частой замены в сравнении с полимером iglidur I150. Кроме того, при тестировании пружины часового механизма, изготовленной методом 3D-печати из полимера iglidur I150, ему удалось выявить более высокую прочность и гибкость по сравнению с пружиной, изготовленной из обычного PLA.

Храповой механизм из полимера iglidur I150 состоит из храповика и венца

применение трибоволокон igus способствует повышению долговечности оборудования

Помимо iglidur I150 компания igus предлагает множество других волокон с улучшенными трибологическими свойствами для 3D-печати. Все они имеют высокую стойкость к истиранию в системах скольжения. Полимер iglidur I150 очень прост в обработке, как и филаменты PLA и PETG. При испытании на износостойкость, проведенном в собственной испытательной лаборатории igus, рабочие характеристики трибоволокон igus до 50 раз выше по сравнению с обычными полимерами, например, PLA и ABS (см. Рисунок). Данный полимер также соответствует требованиям для контакта с пищевыми продуктами в соответствии с Регламентом ЕС 10/2011 и поэтому считается надлежащим материалом для оборудования в пищевой и упаковочной промышленности. Филамент универсального применения особенно подойдет неопытным пользователям 3D-принтера, поскольку прост в обработке. Сервис 3D-печати также доступен в любое время, срок выполнения заказа 1-3 дня, если стоит задача профессионального выполнения печати.

Испытание на износ iglidur I150: ось Y = интенсивность износа [мкм / км] 1. iglidur I150 2. iglidur I180 3. PLA 4. Параметры испытания ABS (линейное движение): v = 0,1 м/с; p = 1 МПа; Материал вала: закаленная сталь (Cf53 / 1.1213) и нержавеющая сталь (V2A/1.4301)