Piezas de reloj resistentes al desgaste de la impresora 3D

• Qué se necesitaba: Piezas para el movimiento de un reloj mecánico
• Método de fabricación: Modelado por deposición fundida (FDM)
• Requisitos: Alta resistencia al desgaste, buenas propiedades mecánicas, detalles precisos
• Material: iglidur I150
• Sector: Modelismo
• Beneficios para el cliente: Mayor resistencia al desgaste, vida útil considerablemente más larga de las piezas, funcionamiento más uniforme del escape y, por tanto, del movimiento del reloj en su conjunto

Breve descripción de la aplicación:
En el marco de un proyecto de Jugend Forscht, Kai Schmidt-Brauns diseñó un mecanismo de relojería que podía imprimirse completamente y comparó la curva de perfil calculada matemáticamente del escape con una curva de perfil determinada empíricamente. Para probar los diferentes perfiles, imprimió un movimiento mecánico basado en su modelo matemático. Además de las pruebas con componentes de PLA convencionales, Schmidt-Brauns probó las diferentes curvas de perfil con componentes de tribofilamento iglidur I150. El escape ha demostrado ser más eficiente con el material igus. Las piezas expuestas a niveles especialmente altos de tensión mecánica tienen una vida útil significativamente más larga y un funcionamiento más suave que las piezas de PLA convencionales gracias al filamento tribológicamente optimizado.
 

El mecanismo de relojería mecánica de frente: la energía se almacena en el mecanismo de cuerda

Problema

Para que un reloj mecánico funcione con precisión, la geometría de todos los componentes debe estar determinada con exactitud y la fricción entre las piezas móviles debe ser la menor posible. El objetivo del proyecto de Kai Schmidt-Brauns era diseñar un mecanismo de escape para un reloj imprimible en 3D y luego determinar su geometría mediante un modelo matemático. Aunque el modelo matemático condujo a un mecanismo de relojería más suave, pero ¿no hay otras posibilidades de hacer el movimiento aún más preciso? Además, en las pruebas realizadas con componentes impresos con PLA estándar, las piezas sometidas a grandes esfuerzos, como el trinquete (formado por una rueda y un garfio) del enrollador del reloj, no presentaron una vida útil muy larga.

Solución

Después de las pruebas con el mecanismo de relojería fabricado con PLA convencional, Kai Schmidt-Brauns sustituyó las piezas críticas por componentes impresos en tribofilamento iglidur I150 de igus. La comparación mostró que la fricción deslizante y estática entre las piezas de iglidur I150 era significativamente menor. Además, gracias a la alta resistencia al desgaste del material igus, se puedo aumentar la vida útil del trinquete, así como obtener un funcionamiento más suave del escape.

Un mecanismo de relojería preciso y completamente impreso en 3D

Jugend Forscht es un concurso alemán para jóvenes desde el final de la escuela primaria hasta los 21 años. Los participantes pueden resolver problemas de su elección en los campos de las matemáticas, la informática y las ciencias naturales y enviar sus soluciones. Para el concurso, Kai Schmidt-Brauns, de Wolfsburgo, creó primero un modelo matemático para determinar la geometría exacta de las piezas de un mecanismo de escape imprimible en 3D. Esto incluía la curva de perfil de la rueda perfilada, que pudo calcular a partir de parámetros bien definidos. El escape de un reloj es la parte que determina su precisión. El mecanismo de escape boquea y libera el engranaje a intervalos regulares, por ejemplo, con la ayuda de un áncora, y garantiza que un minuto en el reloj corresponde a un minuto y no dura 61 segundos una vez y 55 segundos otra. En el siguiente paso del proyecto, Kai Schmidt-Brauns comparó la curva de perfil calculada con una curva de perfil determinada empíricamente. Entonces comprobó que el movimiento con la curva de perfil calculada tenía un funcionamiento más suave que la curva de perfil determinada empíricamente.

El movimiento del reloj mecánico desde atrás: en el extremo izquierdo se encuentra la rueda de perfil, cuya curva de perfil debe determinarse con precisión

Funcionamiento preciso con iglidur I150

Además de comparar la fórmula matemática y la curva de perfil determinada empíricamente, Kai Schmidt-Brauns probó los escapes con diferentes materiales. Se optó por el tribofilamento iglidur I150. El estudiante consiguió los mejores resultados con el filamento igus a una temperatura de la cama de impresión de 40 °C, una velocidad de impresión de 30 mm/s a una altura de capa de 0,1 mm y una temperatura del extrusor de 250 °C. En una prueba, comprobó que el escape funcionaba con mucha más suavidad que con el PLA estándar. Además de los resultados obtenidos en el sistema de escape, el filamento optimizado tribológicamente fue capaz de mejorar la resistencia al desgaste de piezas sometidas a grandes esfuerzos. La rueda del trinquete (ver foto) tenía que cambiarse con mucha más frecuencia cuando se utilizó PLA que con iglidur I150. Además, en las pruebas, el muelle en espiral impreso con iglidur I150 registró una mayor dureza y flexibilidad que el muelle de PLA estándar.

El trinquete de iglidur I150 consta de una rueda y un elemento de retención

Tribofilamentos igus para una mayor duración de la aplicación

Además de iglidur I150, igus ofrece muchos otros filamentos tribológicamente optimizados para la impresión 3D Todos ellos tienen en común que están destinados a aplicaciones de deslizamiento gracias a su alta resistencia al desgaste. Al igual que los filamentos PLA y PETG, iglidur I150 es muy fácil de usar. En la prueba de desgaste en el laboratorio de pruebas de igus, los filamentos tribológicamente optimizados de igus se comportan hasta 50 veces mejor que los polímeros convencionales como el PLA y el ABS (ver imagen). También cumple cuenta con la conformidad con la directiva 10/2011 de la UE, por lo que es adecuado para aplicaciones de la industria alimentaria y del packaging. Este filamento universal también es adecuado para los que se están iniciando en el mundo de la impresión 3D por su facilidad de uso. No obstante, el servicio de impresión 3D está siempre disponible si se necesita asistencia especializada con unos plazos de entrega que oscilan entre 1 y 3 días.

Prueba de desgaste de iglidur I150: Eje Y = Tasa de desgaste [μm/km] 1. iglidur I150 2. iglidur I180 3. PLA 4. Parámetros de la prueba ABS (movimiento lineal): v = 0,1m/s; p = 1MPa; materiales del eje: Acero endurecido (Cf53/1.1213) y acero inoxidable (V2A/1.4301)