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

• Wat was er nodig? Glijlagers voor de stuurinrichting in het 3D-geprinte voertuig
• Productiemethode: Extrusie van filamenten (FDM)
• Vereisten: lage speling, hoge sterkte, hoge slijtvastheid
• Materiaal: iglidur i150
• Industrie: Automobielindustrie
• Succes door samenwerking: Goede oppervlaktekwaliteit, snellere productie dankzij 3D-printen zonder gereedschap, meer tijd voor ontwikkeling, weinig tot geen speling van het lager

De toepassing in één oogopslag:
In het "Chameleon" project heeft het in het Verenigd Koninkrijk gevestigde bedrijf Scaled 3D een vierwielig voertuig ontwikkeld dat uitsluitend bestaat uit 3D-geprinte onderdelen. Tijdens de tests van het voertuig trok het ontwerp van het stuursysteem negatieve aandacht. De stuurlagers hadden te veel speling en veel slijtage. Om de toepassing volledig 3D-geprint te houden, ging het bedrijf op zoek naar een taai, slijtvast materiaal dat beter geschikt zou zijn voor de lagerpunten. Na verschillende tests in groot en klein formaat met het iglidur i150 tribofilament, ontwierp het ontwikkelingsteam uiteindelijk een vijfdelig glijlager dat zeer weinig speling had en aanzienlijk slijtvaster was dan lagers van conventioneel kunststof. Hierdoor kon worden voldaan aan de voorwaarde dat het lager uit de 3D-printer moest blijven komen.

Het stuursysteem van het voertuig had te veel speling en werd al snel onnauwkeurig. Het liep ook het risico snel te verslijten. Dus moesten er stuurlagers met veel minder speling worden gemaakt die in de bestaande vorm van de rest van het voertuig pasten. De diepte van de glijlagers mocht niet meer dan 20 mm bedragen. De onderste van de twee lagers moest ook een gedeelde binnenring hebben om montage met de stuurkolom mogelijk te maken, die twee sets radiale bouten aan elk uiteinde heeft. De onderdelen moesten ook aanzienlijk sterker zijn dan de eerder geïnstalleerde lagers van standaard PLA.

Scaled 3D vond het perfecte materiaal voor zijn "Chameleon" project in het tribologisch geoptimaliseerde iglidur i150-PF tribofilament. Het filament is heel gemakkelijk te verwerken in een groot-volume printer en biedt goede mechanische eigenschappen op het gebied van sterkte, taaiheid en laaghechting in glijdende toepassingen. Het lager werd omgebouwd tot een vijfdelig kogellager dat aanvankelijk als prototype werd getest. Tijdens de tests bleek dat de speling in het lager zeer laag was bij excentrische belastingen tijdens rotatie. De tests in de ontwikkelingsfase waren al zeer zinvol, omdat de uiteindelijke componenten met hetzelfde proces zouden worden vervaardigd.

Het hoofddoel van het "Chameleon" project uit het Verenigd Koninkrijk was het ontwikkelen van een voertuig dat volledig uit de 3D printer komt. Het idee achter het project was de verandering van massaproductie naar snelle, klantspecifieke productie. Tegelijkertijd moest no-tool additive manufacturing het mogelijk maken om 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 structuren. Tot nu toe is het team van Chameleon erin geslaagd om met 30% gerecycled materiaal te werken in het eerste prototype van 2020. De snelheid waarmee onderdelen 3D-geprint kunnen worden is van bijzonder voordeel voor dit project: een maximale printtijd van 83 minuten voor een groot onderdeel (1,375 kg) betekende dat deze onderdelen op dezelfde dag getekend, geprint en getest konden worden. Het grote snelheidsvoordeel ten opzichte van processen als frezen en spuitgieten had een zeer positieve invloed op de vrijheid van de ontwikkeling van het voertuig, die werd ondersteund door de ontwerpvrijheid in de geometrie van de onderdelen.

Om een overzicht te krijgen van de tribologische eigenschappen van het iglidur i150 tribofilament, testte het bedrijf de componenten eerst in een klein formaat. Eerst werden geneste cilinders geprint, waarvan de onbehandelde oppervlakken al van zeer goede kwaliteit waren in vergelijking met andere materialen. De onderdelen werden vervolgens op groot formaat geprint en de goede oppervlaktekwaliteit was een van de indrukwekkende eigenschappen. Het kogellager dat vervangen moest worden, werd vervolgens opnieuw geprint uit iglidur i150. De I150 lagers en de kogellagerkooi bleken goede glijpartners voor een wrijvingsarme werking. Uiteindelijk ontstond er een vijfdelig kogellager.

Tijdens de tests met het iglidur i150 kogellager bleek dat de speling erg laag was onder excentrische belastingen tijdens rotatie. Er werd toen een dubbel lagersysteem ontwikkeld om in het Chameleon stuursysteem te passen. Volgens Scaled 3D is de printkwaliteit van iglidur i150 kogellagers vergelijkbaar met die van ASA en veel beter dan conventioneel PLA. Ondanks een laaghoogte van 1 mm was de oppervlakteafwerking erg goed. Naast de goede componentkwaliteit is het bedrijf ook tevreden over de eenvoudige assemblage van de onderdelen. Het tribofilament is geschikt voor zowel kleine toepassingen als projecten met de grootschalige printer. Het heeft goede mechanische eigenschappen en is daarom geschikt voor de meeste toepassingen en 3D-printers. iglidur i150 is ook geschikt voor voedingsmiddelen volgens EU-verordening 10/2011 en is geschikt voor toepassingen in de voedingsmiddelen- en verpakkingsindustrie.