Du prototype au produit final : des roulements à billes prêts à installer réalisés par impression 3D

• Solution requise : des paliers lisses pour la direction d'un véhicule imprimé en 3D
• Mode de fabrication : dépôt de fil fondu (FDM)
• Exigences : peu de jeu, grande robustesse, grande résistance à l'abrasion
• Matériau : iglidur I150
• Secteur : automobile
• Bénéfice de la coopération : bonne qualité de surface, fabrication plus rapide grâce à l'impression 3D sans outillage, plus de temps pour la mise au point, pas ou peu de jeu au niveau des paliers

 
Brève description de l'application :
Dans le cadre de son projet « Chameleon », l'entreprise britannique Scaled 3D a mis au point un véhicule à quatre roues composé uniquement de pièces imprimées. Lors des tests du véhicule, des problèmes sont apparus au niveau de la direction. Les paliers avaient trop de jeu et s'usaient beaucoup. Pour ne pas renoncer au concept de véhicule entièrement imprimé, l'entreprise s'est mise à la recherche d'un matériau robuste et résistant à l'usure qui soit mieux adapté aux logements. Après différents tests en petit et en grand format avec le tribofilament iglidur I150, l'équipe de mise au point a finalement conçu un palier lisse en cinq parties qui avait très peu de jeu et était nettement plus résistant à l'abrasion que les paliers en polymère conventionnel grâce aux propriétés tribologiques du matériau. Il a ainsi été possible d'utiliser un palier sortant d'une imprimante 3D.
 

L'objectif du projet « Chameleon » de la société britannique Scaled 3D était de mettre au point un véhicule qui puisse être entièrement imprimé.

Problème

La direction du véhicule imprimé avait trop de jeu et est vite devenue imprécise. Elle risquait aussi de s'user vite. Il fallait donc trouver des paliers qui aient nettement moins de jeu mais qui puissent s'adapter à la forme existante du reste du véhicule. La profondeur des paliers, par exemple, ne devait pas dépasser 20 mm. Le roulement à billes inférieur devait aussi avoir une bague intérieure en deux parties pour permettre le montage avec la colonne de direction, qui a deux jeux de boulons radiaux à chaque extrémité. Les pièces devaient aussi être nettement plus résistantes que les paliers en PLA standard utilisés auparavant.
 

Solution

Scaled 3D a trouvé le matériau idéal pour le projet « Chameleon » : du tribofilament iglidur I150-PF optimisé en termes tribologiques. Ce filament est très facile à utiliser dans des imprimantes grand format et offre de bonnes propriétés mécaniques (solidité, ténacité, adhérence des couches) dans cette application en glissement. Le palier a finalement été transformé en un roulement à billes en cinq parties dont un prototype a été fabriqué pour des tests. Lors des tests, le jeu du roulement en rotation en présence d'une charge excentrée était très faible. Les tests ont été très révélateurs dès la phase de mise au point, les pièces définitives devant être fabriquées selon le même procédé.
 

Le projet « Caméléon », une application individuelle et durable

L'objectif principal du projet britannique « Chameleon » était de mettre au point un véhicule qui soit entièrement imprimé. L'idée sous-jacente était de passer de la production en masse à la fabrication rapide de produits personnalisés. En même temps, la fabrication additive sans moule devait permettre l'utilisation de matériau recyclé. Selon Scaled 3D, il devrait être possible à l'avenir d'utiliser des matériaux 100 % recyclés dans les véhicules et les structures imprimés en 3D. Avec le premier prototype de 2020, l'équipe Chameleon est jusqu'à présent parvenue à utiliser 30 % de matériau recyclé. La vitesse à laquelle des pièces peuvent être imprimées a joué un grand rôle dans ce projet. 83 minutes maximum pour une grosse pièce d'un poids de 1,375 kg, ce qui signifie que les pièces pouvaient être dessinées, imprimées et testées en une journée. Cette vitesse comparée à celle des procédés faisant appel à des outillages, que ce soit le fraisage ou le moulage par injection, a eu une incidence très positive sur le temps de mise au point du véhicule, qui a aussi bénéficié de la grande liberté de conception de l'impression 3D pour la forme des pièces.
 

Les paliers de la direction sortent aussi d'une imprimante 3D grand format

A la recherche des bons paliers

L'entreprise a d'abord testé les pièces en petit format afin de bien évaluer les propriétés tribologiques du tribo-filaments iglidur I150. Ont tout d'abord été imprimés des cylindres emboîtés dont la surface non traitée offrait déjà une très bonne qualité comparée à celle d'autres matériaux. Des pièces grand format ont donc ensuite été imprimées, avec une qualité de surface tut aussi convaincante. Le roulement à billes devant être remplacé a ensuite été imprimé avec de l'iglidur I150. Les bagues en iglidur I150 combinées à la cage ont donné d'excellents résultats en service avec peu de frottement. Le produit final ? Un roulement à billes en cinq parties.
 

Le prototype du roulement à billes : en polymère conventionnel à gauche et en iglidur I150 à droite

iglidur I150, le polyvalent parmi les tribofilaments igus

Lors des tests des roulements à billes en iglidur I150, le jeu du roulement en rotation en présence d'une charge excentrée était très faible. Un système à double roulement pouvant être intégré à la direction du Chameleon a donc été mis au point. Aux dires de Scaled 3D, la qualité d'impression des roulements en iglidur I150 est comparable à celle de l'ASA et nettement meilleure que celle du PLA conventionnel. La qualité de la surface était très bonne malgré une hauteur de couche de 1 mm. Le montage simple des pièces, en plus de leur bonne qualité, a aussi convaincu l'entreprise. Le tribofilament convient tout autant aux petites applications qu'aux projets exigeant une imprimante grand format. Il a de bonnes caractéristiques mécaniques et convient donc à la plupart des applications et des imprimantes 3D. L'iglidur I150 a aussi la compatibilité alimentaire en vertu du règlement européen 10/2011 et convient aux applications du secteur des produits alimentaires et du secteur de l'emballage.
 

Le tribofilament iglidur I150 convient à toutes les imprimantes 3D.