Van prototype tot eindproduct - kant-en-klare kogellagers uit de 3D-printer

• Wat er nodig was: glijlagers voor het stuursysteem in het 3D-geprinte voertuig
• Productiemethode: filament extrusie (FDM)
• Vereisten: weinig speling, zeer sterk, hoge abrasiebestendigheid
• Materiaal: iglidur I150
• Industrie: automotive sector
• Succes van de samenwerking: goede oppervlaktekwaliteit, snellere productie dankzij 3D-printen zonder matrijzen, meer tijd voor ontwikkeling, weinig of geen lagerspeling

 
De toepassing in één oogopslag:
het bedrijf Scaled 3D uit Groot Brittannië ontwikkelde een vierwielig voertuig in haar “Chameleon” project dat exclusief bestaat uit 3D-geprinte componenten. Tijdens voertuigtesten viel het besturingsontwerp in negatieve zin op. De lagers van de besturing hadden te veel speling en heel veel slijtage. Om er voor te zorgen dat de toepassing volledig 3D-geprint kon blijven, ging het bedrijf op zoek naar een robuust, slijtvast materiaal dat geschikter zou zijn voor de lagerpunten. Na diverse testen in kleine en grote formaten met het iglidur I150 tribofilament, ontwierp het ontwikkelingsteam uiteindelijk een vijfdelig glijlager dat bijzonder weinig speling had en significant abrasiebestendiger was dan lagers gemaakt van conventioneel kunststof. Dit waarborgde dat het lager nog steeds geheel van een 3D-printer afkomstig kon zijn.
 

Het "Chameleon"-project van Scaled 3D, een in het Verenigd Koninkrijk gevestigd bedrijf, had tot doel een voertuig volledig vanuit een 3D-printer te ontwikkelen.

Probleem

De stuurinrichting van het voertuig had te veel speling en werd al snel onnauwkeurig. Het liep ook het risico snel te verslijten. Er moesten dus stuurlagers worden gemaakt met veel minder speling die in de bestaande vorm van het voertuig zouden passen. De glijlagerdiepte mocht niet groter zijn dan 20 mm. De onderste van de twee lagers moest ook een gespleten binnenring hebben om montage met de stuurkolom mogelijk te maken, die aan elk uiteinde twee sets radiale bouten heeft. De componenten moesten ook een aanzienlijk grotere sterkte hebben dan de eerder geïnstalleerde lagers van standaard PLA.
 

Oplossing

Scaled 3D vond het perfecte materiaal voor zijn "Chameleon"-project in het tribologisch geoptimaliseerde iglidur I150-PF tribofilament. Het filament is zeer gemakkelijk te verwerken in een grootvolume printer en biedt goede mechanische eigenschappen in termen van sterkte, taaiheid en laaghechting in glijdende toepassingen. Het lager werd omgebouwd tot een vijfdelig kogellager dat in eerste instantie als prototype werd getest. Tijdens de tests was de speling in het lager zeer laag onder excentrische belastingen tijdens rotatie. De tests in de ontwikkelingsfase waren al zeer zinvol, omdat de uiteindelijke componenten met hetzelfde proces zouden worden vervaardigd.
 

Het project "Chameleon" - individuele, duurzame toepassing

Het belangrijkste doel van het "Chameleon"-project uit het VK was om een voertuig te ontwikkelen dat volledig uit de 3D-printer komt. Het idee achter het project was de omslag van massaproductie naar snelle, klantspecifieke productie. Tegelijkertijd zou additieve productie zonder matrijs het mogelijk maken gerecycled materiaal te gebruiken. Volgens Scaled 3D zal het in de toekomst mogelijk zijn om 100% gerecycled materiaal te gebruiken in 3D-geprinte voertuigen en constructies. Tot nu toe is het Chameleon-team erin geslaagd om in het eerste prototype van 2020 met 30% gerecycled materiaal te werken. De snelheid waarmee onderdelen 3D-geprint kunnen worden, komt dit project vooral ten goede: door maximaal 83 minuten printtijd voor een groot onderdeel (1,375 kg) konden deze onderdelen op dezelfde dag getekend, geprint en getest worden. Het grote snelheidsvoordeel ten opzichte van processen als frezen en spuitgieten had een zeer positieve invloed op de vrijheid van voertuigontwikkeling, die werd ondersteund door de ontwerpvrijheid in de geometrie van de onderdelen.
 

Ook de lagers voor het stuursysteem komen uit de grootschalige printer

De weg naar de juiste lagers

Om een overzicht te krijgen van de tribologische eigenschappen van het iglidur I150 tribofilament, heeft het bedrijf de componenten eerst in een klein formaat getest. Eerst werden geneste cilinders geprint, hun onbehandelde oppervlakken al van zeer goede kwaliteit in vergelijking met andere materialen. Onderdelen werden vervolgens op groot formaat geprint en hun goede oppervlaktekwaliteit was een van de indrukwekkende kenmerken. Het te vervangen kogellager werd vervolgens opnieuw geprint van iglidur I150. De I150 loopringen en de kogellagerkooi bleken goede glijpartners te zijn voor een werking met lage wrijving. Uiteindelijk werd een vijfdelige kogellager gecreëerd.
 

Het kogellager-prototype: conventioneel kunststof links, iglidur I150 rechts

De alleskunner onder de igus tribofilamenten - iglidur I150

Tijdens de testen met het iglidur I150 kogellager was de speling zeer laag onder excentrische belastingen tijdens rotatie. Vervolgens werd een dubbel lagersysteem ontwikkeld om in het stuursysteem van Chameleon te passen. Volgens Scaled 3D is de printkwaliteit van iglidur I150 lagers vergelijkbaar met die van ASA en veel beter dan conventionele PLA. Ondanks een laaghoogte van 1 mm was de oppervlakteafwerking zeer goed. Naast de goede kwaliteit van de componenten is het bedrijf ook tevreden over de eenvoudige montage van de onderdelen. Het tribofilament is geschikt voor zowel kleine toepassingen als projecten met een grootschalige printer. Het heeft goede mechanische eigenschappen en is daarom geschikt voor de meeste toepassingen en 3D-printers. iglidur I150 voldoet ook aan de voedingsvoorschriften van de Europese verordening 10/2011 en is geschikt voor toepassingen in de voedsel- en verpakkingssector.
 

Het iglidur I150 tribofilament kan met alle 3D-printers worden gebruikt.