Pièces d'un mouvement d'horlogerie, imprimées et résistantes à l'usure

• Solution requise : pièces pour un mouvement d'horlogerie mécanique
• Mode de fabrication : dépôt de fil fondu (FDM)
• Exigences : grande résistance à l'usure, bonnes caractéristiques mécaniques, détails précis
• Matériau : iglidur I150
• Secteur : construction de modèles réduits
• Bénéfice de la coopération : résistance à l'usure améliorée, durée de vie nettement plus longue des pièces, fonctionnement plus uniforme de l'échappement et donc du mouvement d'horlogerie dans son ensemble

Brève présentation de l'application :
Dans le cadre d'un projet «Jugend forscht», Kai Schmidt-Brauns a conçu un mouvement d'horlogerie pouvant être entièrement imprimé et a comparé la courbe de profil calculée mathématiquement de l'échappement d'un mouvement mécanique à une courbe de profil déterminée empiriquement. Pour tester les différents profils, il a imprimé un mouvement mécanique basé sur son modèle mathématique. En plus des tests avec des composants en PLA conventionnel, l'étudiant de Wolfsburg a testé les différentes courbes de profil avec des composants en tribofilament iglidur I150. L'échappement s'est avéré plus performant avec le matériau igus. Les pièces qui sont exposées à des niveaux de contrainte mécanique particulièrement élevés présentent, grâce au filament optimisé en termes tribologiques, une durée de vie nettement plus longue et un fonctionnement plus régulier que les pièces en PLA conventionnel.
 

Le mouvement d'horlogerie mécanique de face : l'énergie est stockée dans le remontoir

Problème

Pour qu'un mouvement d'horlogerie mécanique fonctionne avec précision, la géométrie de tous les composants du mécanisme doit être déterminée avec précision et le frottement entre les pièces mobiles doit être aussi faible que possible. L'objectif du projet de Kai Schmidt-Brauns était de concevoir un mécanisme d'échappement pour le mouvement d'horlogerie imprimable puis d'en déterminer la géométrie à l'aide d'un modèle mathématique. Le modèle mathématique a certes conduit à un fonctionnement plus régulier du mouvement d'horlogerie, mais n'y aurait-il pas d'autres possibilités pour rendre le mouvement encore plus précis ? Lors des essais effectués avec des pièces imprimées à partir de PLA courant, les pièces très sollicitées comme par exemple le cliquet (constitué d'une roue et d'un anneau) dans le remontoir n'avaient pas non plus une très longue durée de vie.

Solution

Après les essais avec le mouvement d'horlogerie en PLA conventionnel, Kai Schmidt-Brauns a remplacé les pièces critiques par des pièces imprimées en tribofilament iglidur I150 de la société igus. La comparaison a montré que le frottement en glissement et statique entre les pièces en iglidur I150 était nettement moins élevé. De plus, la grande résistance à l'usure du matériau igus a permis d'allonger la durée de vie du rochet et d'avoir un fonctionnement plus régulier de l'échappement.

Un mécanisme d'horlogerie précis, entièrement imprimé

« Jugend Forscht » est un concours allemand pour les jeunes de la fin du primaire jusqu'à 21 ans. Les participant.e.s peuvent résoudre des problèmes qu'ils choisissent eux-mêmes dans les domaines des mathématiques, de l'informatique et des sciences naturelles et envoyer leurs solutions. Dans le cadre de ce concours, Kai Schmidt-Brauns, de Wolfsburg, a d'abord mis en place un modèle mathématique pour déterminer la géométrie exacte des pièces d'un mécanisme d'échappement imprimable en 3D. Il s'agissait notamment de la courbe de profil de la roue profilée, qu'il a pu calculer à partir de paramètres bien définis. L'échappement d'une pièce d'horlogerie est la partie qui en détermine la précision. Le mécanisme d'échappement «inhibe » le rouage à intervalles réguliers, par exemple à l'aide d'une ancre, et fait en sorte qu'une minute dans l'horloge corresponde à une minute et ne dure pas une fois 61 secondes et une autre 55 secondes. Dans l'étape suivante du projet, Kai Schmidt-Brauns a comparé la courbe de profil calculée avec une courbe de profil déterminée empiriquement. Il a alors constaté que le mouvement avec la courbe de profil calculée avait un fonctionnement plus régulier que la courbe de profil déterminée empiriquement.

Le mouvement d'horlogerie mécanique de dos : tout à gauche, la roue profilée dont la courbe de profil doit être déterminée avec précision

Un fonctionnement précis avec l'iglidur I150

En plus de comparer la formule mathématique et la courbe de profil déterminée empiriquement, Kai Schmidt-Brauns a testé les échappements avec différents matériaux. Le choix s'est porté sur le tribofilament iglidur I150. C'est avec un lit d'impression à 40 °C, une vitesse d'impression de 30 mm/s pour une hauteur de couche de 0,1 mm et une température d'extrusion de 250 °C que l'écolier a obtenu les meilleurs résultats avec le filament igus. Lors d'un test, il a pu constater que le fonctionnement de l'échappement était nettement plus régulier qu'avec du PLA ordinaire. En plus des résultats obtenus dans l'échappement, le filament optimisé tribologiquement a pu améliorer la résistance à l'usure des pièces soumises à de fortes sollicitations. L'anneau à cliquet du rochet (cf. photo) qui se trouve dans le mécanisme du remontoir devait être changé nettement plus fréquemment s'il était en PLA que s'il était en iglidur I150. De plus, grâce à des tests effectués avec un ressort spiral imprimé à partir d'iglidur I150, il a pu constater une ténacité et une flexibilité supérieures à celles de pièces en PLA conventionnel.

Le rochet en iglidur I150 se compose d'une roue et d'un cliquet

Des tribo-filaments igus pour une durée de vie plus longue des applications

En plus de l'iglidur I150, igus propose de nombreux autres filaments optimisés en termes tribo-logiques pour l'impression 3D. Ils ont tous en commun d'être destinés à des applications de glissement en raison de leur grande résistance à l'usure. Comme les filaments en PLA et PETG, l'iglidur I150 est très facile à utiliser. Lors du test d'usure réalisé dans le laboratoire de tests igus, les tribo-filaments igus ont des performances jusqu'à 50 fois supérieures à celles des polymères conventionnels tels que le PLA et l'ABS (cf. photo). Il a aussi la conformité alimentaire en vertu du règlement européen 10/2011 et convient donc aux applications du secteur alimentaire et de l'emballage. Ce filament universel est aussi tout indiqué pour les débutants en impression 3D en raison de son utilisation facile. Pour autant, le service impression 3D reste toujours disponible si l'assistance de spécialistes est requise. Les délais de livraison vont de 1 à 3 jours.

Test d'usure iglidur I150 : ordonnée = taux d'usure [μm/km] 1. iglidur I150 2. iglidur I180 3. PLA 4. ABS; paramètres de test (mouvement linéaire) : v = 0,1 m/s; p = 1 MPa; matériaux d'arbre : acier trempé (Cf53 / 1.1213) et acier inoxydable (V2A / 1.4301)