Joshua Pearce come stampare in 3d ricambi per biciclette

Il professor Joshua Pearce scrive su come è possibile utilizzare la stampante 3D per creare parti di ricambio funzionali.

Sebbene la tua stampante 3D possa certamente essere utilizzata per realizzare modelli e giocattoli (e risparmiare un sacco di soldi), ora è possibile utilizzare le stampanti desktop 3D per realizzare parti di ricambio funzionali effettive per macchine complesse che richiedono l’integrità meccanica delle parti.

Per indagare sul potenziale, il mio gruppo di ricerca sulla stampa 3D si è unito al gruppo di ricerca di John Gershenson, specializzato nella progettazione e ingegneria meccanica delle biciclette. Noi – Nagendra Tanikella, Ben Savonen, John Gershenson e io – abbiamo fatto uno studio accurato sull’utilizzo di stampanti 3D open source per fabbricare componenti per biciclette Black Mamba ampiamente usati. In particolare, abbiamo scelto di iniziare test con pedali che falliscono spesso e hanno standard chiari, vale a dire gli standard CEN (European Committee for Standardization) per le biciclette da corsa per 1) resistenza statica, 2) impatto e 3) durata dinamica. Prima spiegherò i test e poi come evitare di doverli fare da soli.

Abbiamo realizzato un modello CAD di un pedale sostitutivo utilizzando FreeCADparametrico open source per consentire la futura personalizzazione. È possibile scaricare entrambi i file CAD e STL da Youmagine . Poi lo abbiamo stampato con PLA, una bioplastica biodegradabile e riciclabile, perché è il materiale stampabile 3D più comune. Ha anche una buona forza e costi ragionevolmente bassi (vedi questo documento ) per ulteriori informazioni.

Test di resistenza statica
Il test di resistenza statica CEN per i pedali della bicicletta richiede che il pedale sia sottoposto a una forza verticale verso il basso di 1500 N come mostrato di seguito. Il test è soddisfatto se non ci sono fratture presenti.

Abbiamo testato un carico di compressione di 3000 N applicato uniformemente sul pedale, raddoppiando la quantità prescritta per testare chiaramente il superamento dello standard. Non è successo nulla, i nostri pedali cancellano il primo ostacolo!

Resistenza all’impatto
Il test di impatto CEN per i pedali della bicicletta richiede che una massa di 15 kg venga rilasciata sul pedale da un’altezza di 400 mm, a 60 mm dalla faccia di montaggio, come mostrato di seguito.

 

Il test è soddisfatto se non ci sono fratture in quanto è possibile vedere il test ha apportato un’ammaccatura minore ma non è stato riportato alcun danno maggiore. Ha superato il test n. 2!

Test dinamico di durata
Il test di resistenza dinamica CEN per i pedali della bicicletta richiede che il mandrino venga centrifugato a 100 giri / min per 100.000 giri mentre il pedale ha una massa di 65 kg sospesa da una molla. Questo test ha lo scopo di simulare una bicicletta del mondo reale con una persona in piedi sui pedali. In questo caso, il test è stato progettato per superare lo standard CEN in condizioni più realistiche. Il pedale era collegato a una bicicletta e testato direttamente piuttosto che con un banco di prova. Abbiamo effettuato 200.000 giri in cui il peso della persona (75 kg) è stato trasportato solo dai pedali (di nuovo il doppio dello standard). Ha superato il test # 3!

I pedali stampati in 3D sono significativamente più leggeri (quasi un terzo della massa) rispetto ai pedali di serie usati sul Black Mamba. Ciò fornisce un miglioramento delle prestazioni senza nemmeno costringerti a raderti le gambe ! Meglio ancora, riduce il costo dei pedali sostitutivi se vengono utilizzati come filamento pellet greggio PLA o materiali riciclati (come ABS, PET o nylon). Pertanto, le parti di biciclette stampate in 3D sono entrambe tecnicamente possibili, ma possono anche ridurre i costi della bicicletta per tutti.

Trucco fai-da-te per ottenere risultati di laboratorio senza il laboratorio
Questo è bello, ma probabilmente non vuoi ripetere tali esperimenti per ogni parte che vuoi sostituire sulla tua bicicletta o su qualsiasi altra cosa tu possa fare con la tua stampante 3D. Per evitare questo lavoro segui queste semplici linee guida:

 

Identifica uno studio che ha esaminato le parti che ti interessano, come questo studio: vitalità della produzione distribuita di componenti per biciclette con stampa 3D Test del pedale dell’acido polilattico standardizzato CEN per il pedale della bicicletta. Altri stanno mostrando tutto il tempo.
Identificare i requisiti meccanici per il materiale di stampa 3D. Per un buon elenco di accesso aperto delle resistenze a trazione più comuni dei materiali comuni, vedere questo studio: Resistenza alla trazione dei materiali polimerici commerciali per la stampa 3D di fabbricazione di filamenti fusi .
Stampa l’oggetto nel materiale corretto e il riempimento necessario per ottenere le proprietà meccaniche necessarie per l’applicazione.
Quindi ispezionare l’esterno della stampa per ottenere strati non ottimali da sotto estrusione come nell’immagine qui sotto. Se sotto estruso, ripara la stampante e riprova.

 

Infine, al fine di determinare se vi è stata una sotto-estrusione all’interno che non è possibile vedere, pesare la parte. Una bilancia alimentare digitale ha una precisione e una precisione accettabili per la maggior parte delle stampe FFF. Questa massa viene confrontata con il valore teorico usando le densità di questa tabella per il materiale e il volume dell’oggetto.

Questo funziona perché lo studio sopra riportato ha trovato una bella relazione lineare tra la massa ideale della parte stampata e il numero massimo di campioni di stress che potrebbe assumere. Se la tua parte è lontana dall’ideale, puoi guardare quello studio per vedere quanto lontano. È quindi possibile decidere se è necessario ristampare prima di ottenere un’alta probabilità di avere le proprietà necessarie. Se si osservano da vicino gli studi meccanici effettuati su un assortimento di stampanti FFF, si noterà che le stampanti open source possono avere stampe più forti rispetto alle macchine FFF e FFF di proprietà. Ciò è dovuto principalmente alle limitazioni delle impostazioni dei sistemi proprietari. Ma tieni presente che esiste un intervallo e le proprietà delle tue parti dipenderanno molto dalla tua macchina e dalle impostazioni che utilizzi. In generale, stampa all’estremità superiore dell’intervallo di temperatura dell’estrusoreper il tuo materiale si tradurrà in una maggiore forza. È possibile capire dove è più probabile che la stampa ricada sul range di forza usando la tecnica di pesatura e confrontando la massa con l’ideale.

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