Dal prototipo al prodotto finale - cuscinetti a sfere pronti per l'installazione prodotti con stampante 3D

• Cosa serviva: cuscinetti per il sistema dello sterzo in un veicolo a stampa 3D
• Metodo di produzione: estrusione dei filamenti (FDM)
• Requisiti: gioco ridotto, grande robustezza, elevata resistenza all'abrasione
• Materiale: iglidur I150
• Settore: automotive
• Successo per il cliente: buona qualità superficiale, produzione più rapida grazie alla stampa 3D senza strumenti, più tempo per lo sviluppo, gioco tra i cuscinetti minimo o nullo

L'applicazione in sintesi:
la società britannica Scaled 3D ha sviluppato un veicolo a quattro ruote nell'ambito del progetto "Chameleon", composto esclusivamente da componenti in stampa 3D. Durante i test sui veicoli, il sistema di sterzo ha evidenziato diverse criticità. I cuscinetti dello sterzo erano molto usurati e presentavano un gioco eccessivo. Per mantenere completamente la modalità di stampa 3D, l'azienda si è orientata verso un materiale robusto e resistente all'usura, più indicato per i punti di supporto. Dopo una serie di test su grandi e piccoli formati con il tribofilamento iglidur I150, il team di sviluppo ha concepito un cuscinetto diviso in cinque parti, con gioco esiguo e molto più resistente all'abrasione rispetto ai cuscinetti in plastica tradizionale. In questo modo è stato possibile continuare a produrre il cuscinetto interamente tramite stampa 3D.
 

Il progetto "Chameleon" della società britannica Scaled 3D puntava a sviluppare un veicolo realizzato interamente tramite stampante 3D.

Problema da risolvere

A causa del gioco eccessivo, lo sterzo del veicolo è risultato subito impreciso. Inoltre c'era anche il rischio che esso di consumasse rapidamente. Pertanto era necessario realizzare cuscinetti per lo sterzo, da un lato con gioco minore e dall'altro adatti alla forma del resto del veicolo. La profondità del cuscinetto non doveva superare i 20 mm. Tra i due cuscinetti, il più basso doveva montare un anello interno scomponibile per consentire l'installazione con il piantone dello sterzo, caratterizzato da due serie di bulloni radiali a ogni estremità. I componenti dovevano inoltre garantire una resistenza superiore rispetto ai cuscinetti standard precedentemente installati in PLA.
 

Soluzione

Scaled 3D ha individuato il materiale perfetto per il suo progetto "Chameleon" nel tribofilamento tribologicamente ottimizzato iglidur I150-PF. Il filamento, di semplice lavorazione in una stampante di grandi dimensioni, offre buone proprietà meccaniche in termini di resistenza, durezza e adesione interstrato nelle applicazioni di scorrimento. Il cuscinetto è stato convertito in un cuscinetto a cinque componenti, inizialmente testato come prototipo. Dai test è emerso che il gioco nel cuscinetto si manteneva molto basso sotto carichi eccentrici durante la rotazione. I test nella fase di sviluppo presentavano già un alto grado di attendibilità, poiché i componenti finali sarebbero stati realizzati con lo stesso processo.
 

Progetto "Chameleon" - un'applicazione individuale e sostenibile

L'obiettivo principale del progetto britannico "Chameleon" era sviluppare un veicolo prodotto interamente tramite stampante 3D. L'idea alla base del progetto consisteva nella conversione dalla produzione di massa alla produzione rapida e su misura per il cliente. Al tempo stesso, la produzione additiva senza strumenti doveva consentire l'utilizzo di materiale riciclato. Secondo Scaled 3D, in futuro sarà possibile utilizzare veicoli e strutture stampate in 3D e composte al 100% da materiale riciclato. Al momento il team Chameleon ha raggiunto una percentuale di materiale riciclato del 30% per il primo prototipo del 2020. La velocità di stampa 3D dei componenti è particolarmente vantaggiosa per questo progetto: per un pezzo di grandi dimensioni (1,375 kg) occorrono al massimo 83 minuti per la stampa. In altre parole, è possibile disegnare, stampare e testare questi componenti nello stesso giorno. Il grande vantaggio in termini di velocità rispetto a processi come la fresatura e lo stampaggio a iniezione ha influito positivamente sulla libertà di sviluppo del veicolo, accompagnata a sua volta dalla grande libertà di progettazione nella geometria delle varie parti.
 

Anche i cuscinetti per il sistema dello sterzo sono fabbricati con la stampante su vasta scala

La strada verso i cuscinetti giusti

Per avere una panoramica delle proprietà tribologiche di iglidur I150, l'azienda ha testato inizialmente i componenti in un formato ridotto. Innanzitutto, sono stati stampati cilindri innestati: le superfici non trattate presentavano già una qualità straordinaria rispetto ad altri materiali. Successivamente i pezzi sono stati stampati in grande formato. Tra i punti forti dei nuovi componenti, vi era la buona qualità della superficie. Il cuscinetto a sfere da sostituire è stato ristampato utilizzando iglidur I150. Gli anelli di scorrimento e la gabbia a sfere in iglidur I150 hanno fornito il proprio contributo per il funzionamento ad attrito ridotto. Alla fine è stato realizzato un cuscinetto a sfere in cinque componenti.
 

Prototipo del cuscinetto a sfere: plastica tradizionale a sinistra, iglidur I150 a destra

Il più versatile dei tribofilamenti igus - iglidur I150

Dai test sul cuscinetto a sfere iglidur I150 è emerso che il gioco sotto carichi eccentrici durante la rotazione era molto ridotto. A questo punto è stato sviluppato un sistema a doppio cuscinetto per adattarsi al sistema di sterzo Chameleon. Secondo Scaled 3D, la qualità di stampa dei cuscinetti iglidur I150 è paragonabile a quella dell'ASA e molto migliore del PLA tradizionale. Nonostante l'altezza dello strato di 1 mm, la finitura superficiale si è rivelata ottimale. Oltre alla buona qualità dei componenti, l'azienda è rimasta soddisfatta anche per quanto riguarda l'assemblaggio dei componenti. Il tribofilamento è adatto sia alle piccole applicazioni che ai progetti realizzati con stampanti di grandi dimensioni. Caratterizzato da buone proprietà meccaniche, è indicato per la maggior parte delle applicazioni e delle stampanti 3D. Inoltre iglidur I150 è conforme al Regolamento UE 10/2011 ed è indicato per applicazioni nel settore alimentare e dell'imballaggio.
 

Il tribofilamento I150 è compatibile con tutte le stampanti 3D.