Master 3D Printing Gears:советы экспертов и полное руководство

В этом уроке мы узнаем все, что нам нужно знать о механизмах 3D-печати, а также советы и рекомендации, которые я получил, распечатав немало механизмов и проведя с ними десятки тестов.

Вы можете посмотреть следующее видео или прочитать письменное руководство ниже.

Мы расскажем, какой тип шестерни лучше всего подходит для 3D-печати:прямозубая, винтовая или елочка с точки зрения прочности, эффективности и люфта.

Как модуль шестерни влияет на ее производительность, как заполнение отпечатка влияет на прочность шестерни и какой материал лучше всего подходит для 3D-печати шестерни.

Я протестировал шесть различных материалов:PLA, PLA-CF, ABS, PETG, ASA и нейлон. Мы увидим, кто из них сильнее, проведя испытания на прочность до отказа.

Шпора, косозубая или елочка

Хорошо, сначала давайте сравним различные типы шестерен:прямозубые, косозубые и елочные.

Цилиндрические шестерни — это простейший тип шестерен с прямыми зубьями, установленными параллельно оси шестерни. Зубья косозубых шестерен, напротив, расположены под углом относительно оси шестерни. Шестерни «елочка» представляют собой комбинацию двух противоположных косозубых шестерен с правой и левой спиралью.

В реальной жизни или в промышленности прямозубые шестерни обычно являются первым выбором при выборе зубчатых колес, поскольку их проще и дешевле производить. Затем идут косозубые шестерни, как более сложные и дорогие в производстве. И, наконец, шестерни «елочка» самые сложные и дорогие в изготовлении.

Однако в мире 3D-печати, производства или изготовления или 3D-печати любой из этих трех типов шестерен абсолютно одинаков и настолько прост, насколько это возможно.

3D-принтер может легко распечатать любой профиль зуба и слой за слоем сформировать шестерню. Итак, в этом сравнении производственные затраты не будут приниматься во внимание, но давайте посмотрим на другие преимущества и недостатки каждого типа шестерни.

Цилиндрические шестерни являются наиболее эффективным типом шестерен, поскольку они имеют наименьшую площадь контакта при включении шестерен. Контактная поверхность представляет собой прямую линию и возникает внезапно при каждом зацеплении зубов.

Однако этот внезапный контакт является отрицательной стороной прямозубых шестерен, поскольку он вызывает ударную нагрузку на зубья. Это влияет на нагрузочную способность и долговечность передачи, а также приводит к повышенному шуму и вибрации.

С другой стороны, косозубые передачи обеспечивают более плавную и тихую работу, имеют лучшую несущую способность, более длительный срок службы и могут использоваться на более высоких скоростях. Это происходит потому, что контакт между сцепляющимися зубами происходит постепенно.

Оно начинается как точка, постепенно становится линией, а затем живет как точка. Кроме того, в любой момент они имеют большую контактную поверхность по сравнению с прямозубыми шестернями. Из этой демонстрации мы можем заметить, что в передаче мощности всегда участвуют три или два зуба, тогда как в случае прямозубых шестерен всю нагрузку несут два или в какой-то момент только один зуб.

Однако, как и большинство вещей в жизни, все эти особенности косозубых шестерен имеют свою цену:появление осевой силы из-за наклонных зубьев.

В зависимости от угла винтовой линии, который колеблется от 15 до 25 градусов, может возникнуть значительная осевая сила, которую необходимо учитывать при проектировании системы зубчатых передач. Мы можем ясно заметить это из этого теста.

Когда я прикладываю к шестерне радиальную силу, возникает осевая сила, которая стремится сдвинуть шестерню с места.

Чтобы избежать этой осевой силы, существует шестерня «елочка», которая по сути представляет собой две противоположные косозубые шестерни с левой и правой спиралью.

Таким образом, возникающие осевые силы компенсируются, и мы получаем все преимущества косозубых шестерен без какой-либо осевой силы, действующей на шестерни. Но опять же, мы получаем еще один недостаток – сложность сборки зубчатой ​​передачи. В случае с прямозубыми и косозубыми шестернями мы можем просто вставить шестерни на место, и они начнут зацепляться, даже если одна из них вращается.

С шестернями «елочка» мы этого сделать не можем. Нам следует сначала зацепить шестерни, а затем одновременно надеть их на валы или вставить валы уже потом.

Проектирование шестерен

Тем не менее, теперь давайте испытаем напечатанные на 3D-принтере шестерни и посмотрим, какие результаты мы получим от каждого типа.

Для проектирования шестерен я использовал Onshape. Onshape — это система CAD и PDM профессионального уровня. Теперь они предлагают инженерам и их компаниям до 6 месяцев бесплатного использования профессиональной версии.

Мы можем легко создавать шестерни с помощью специального FeatureScript под названием «Spur Gear». Мы можем выбрать модуль шестерни, количество зубьев, ширину шестерни, добавить фаску и центральное отверстие. Мы также можем выбрать спиральную шестерню, выбрать угол спирали и ориентацию шестерни:левую или правую.

Для шестерни «елочка» нам просто нужно выбрать опцию «Двойная спираль». Также есть возможность добавить смещение ко всему профилю шестерни, что очень полезно при 3D-печати.

Для печати всех шестеренок для этого видео я использовал свой новый 3D-принтер Creality K1C. При 3D-печати шестерен или чего-либо еще, размеры которых должны быть точными, нам необходимо использовать функцию горизонтального расширения в нашем программном обеспечении для нарезки.

Эта функция компенсирует расширение нити, и в моем случае я использовал значение -0,15 мм, но вам следует сделать несколько тестовых отпечатков, чтобы увидеть, какое значение подойдет вашему 3D-принтеру.

Кроме того, при 3D-печати шестерен особенно важно избегать эффекта «слоновьей лапы». Это происходит, когда кровать выравнивается неправильно. Сопло находится слишком близко к станине при печати первого слоя, поэтому материал сжимается, и первые несколько слоев детали не имеют точных размеров.

Это напрямую влияет на работу шестерен. Чтобы этого избежать, нам следует настроить выравнивание кровати или в слайсере отрегулировать значение смещения G-кода. Конечно, нам нужно сделать несколько тестовых отпечатков, чтобы выяснить, какая стоимость подойдет нашему принтеру. В моем случае это было значение 0,1 мм, поэтому шестерни встали идеально.

Есть еще один способ избежать эффекта слоновьего зуба — напечатать шестерни с плотом под деталью, но опять же вам нужно сделать пробную печать, чтобы определить правильные настройки. Если вы не можете сделать их правильно, вы также можете вручную снять фаску с краев шестерни.

В любом случае, я хотел бы поблагодарить Creality за предоставление мне этого 3D-принтера. Creality K1C — действительно отличный 3D-принтер, полный пакет с множеством функций и отличным качеством печати на высоких скоростях. Проверьте это в:магазине Creality USA; Европейский магазин; Амазонка.

Тест № 1. Уровень шума и эффективность

Хорошо, теперь давайте посмотрим, как повели себя шестерни. Это первая тестовая установка. У меня есть двигатель постоянного тока на 12 В, к которому я прикрепил шестерню с 20 зубьями и модулем 2,5.  Эта шестерня будет приводить в движение другую шестерню с таким же количеством зубьев, и отсюда мы можем наблюдать две вещи:уровень шума, который будет производить шестерня, и ее эффективность. Напряжение, подаваемое на двигатель постоянного тока, будет одинаковым для каждого типа шестерен, поэтому мы можем отслеживать потребляемую мощность, необходимую для работы шестерен, и, следовательно, их эффективность.

Во-первых, прямозубые шестерни производили уровень шума около 77 дБ, а потребляемая мощность составляла от 5,36 Вт до 5,61 Вт. Далее, уровень шума косозубых шестерен составлял около 75 дБ, а потребляемая мощность — от 5,61 Вт до 5,85 Вт. Наконец, уровень шума шестерни «елочка» составлял около 74 дБ, а потребляемая мощность — от 5,61 Вт до 6,1 Вт.

Итак, результаты, которые мы получили, совпадают с тем, что мы говорили ранее о каждом типе снаряжения. Прямозубые шестерни потребляют наименьшее количество энергии, а это значит, что они являются наиболее эффективными, но и самыми громкими. Косозубые и елочные передачи были менее эффективны, но более тихи.

Тест №2 – Люфт

Далее для проверки люфта и прочности шестерен воспользуемся следующей установкой. Одна шестерня будет зафиксирована четырьмя болтами, а другая сможет вращаться благодаря двум прикрепленным к ней подшипникам. Шестерни имеют модуль 2,5 и все они напечатаны на 3D-принтере с одинаковыми настройками. 

Сначала я проверяю люфт или величину люфта или зазора между двумя сцепляющимися цилиндрическими шестернями. Общий люфт в обе стороны составил около 2,5 мм на расстоянии 10 см.

Далее косозубые передачи показали лучшие результаты. Общий люфт в обе стороны составил около 1,5 мм на 10 см. А на шестернях-елочках общий люфт был в обе стороны примерно 1,8мм на 10см.

Опять же, результаты оказались ожидаемыми:прямозубые шестерни имели больший люфт по сравнению с косозубыми и елочными шестернями. 

Однако мне показалось, что эти тесты слишком просты для корректного сравнения, поэтому я решил провести еще одну тестовую установку. Я сделал четырехступенчатый редуктор с передаточным числом 16:1, более распространенный сценарий использования шестерен.

Тест № 3 – Редуктор скорости 16:1

Итак, идея заключалась в том, чтобы использовать шаговый двигатель NEMA 17 и за четыре ступени с передаточным числом 2:1 получить в общей сложности передаточное число 16:1. Ведущие шестерни имеют 17 зубьев, а ведомые — 34 зубца. Модуль шестерен 1,5.

Прямозубый редуктор имел свободный ход около 2,5 мм на выходе на расстоянии 10 см. Или, если быть более точным, я использовал измеритель силы, чтобы приложить определенное количество силы к каждой стороне и зафиксировать смещение в этой точке. В качестве эталона я взял усилие 5 Н и буду использовать его и для других типов шестерен.

Таким образом я получил общий люфт на планке 4,4мм на расстоянии 10см. Чтобы выразить эти измерения в единицах люфта, угловых минутах, сначала мы можем вычислить угол смещения, альфа. Мы делаем это с помощью простой тригонометрии, и угол получается около 2,52 градуса. Одна угловая минута равна 1/60 градуса. Итак, люфт этого прямозубого редуктора составляет около 151 угловой минуты. 

Винтовой редуктор имел общее смещение около 5,1 мм, или в переводе на угловые минуты, то есть 175 угловых минут. 

Общий ход коробки передач «елочка» составлял около 4,9 мм, что составляет около 168 угловых минут люфта. 

Теперь эти результаты оказались противоположными первым тестам. Здесь прямозубые шестерни показали лучшие результаты по люфту, чем два других типа. Я имею в виду, что могу назвать несколько причин, почему это так. Мы можем заметить, что валы коробки передач немного смещаются при приложении силы, поскольку они поддерживаются только с одной стороны, и это влияет на результаты.

Другое дело, что между подшипниками и шестернями есть некоторый люфт. На самом деле сложно напечатать на 3D-принтере детали, которые идеально сочетаются с некоторыми механическими деталями. Я попробовал наклеить на подшипники ленту, чтобы затянуть выступ и уменьшить люфт.

Это помогло; шестерни стали туже, но нет гарантии, что они будут одинаковыми для каждой передачи. Конечно, мы можем сделать отверстия для подшипников меньше, а затем с некоторым усилием вставить подшипник в шестерню, но это может отрицательно сказаться на эффективности. Невозможно разместить два подшипника точно на одной оси с помощью силы, и это вызовет большее сопротивление при вращении шестерни.

Тест № 4. Эффективность редуктора

В любом случае, для измерения эффективности коробки передач я измерил, какую силу или крутящий момент будет производить коробка передач при том же уровне напряжения шагового двигателя.

С прямозубыми шестернями я получил максимальное усилие около 32 Н. Максимальное усилие для винтовой коробки передач составляло 28 Н, а для шестерен «елочка» — 30,4 Н. Эти результаты показывают, что прямозубые шестерни являются наиболее эффективным типом, но, опять же, все они слишком близки.

Какой тип механизма, напечатанного на 3D-принтере, сильнее?

Затем, чтобы проверить прочность шестерен, я с помощью измерителя силы опустил стержень, прикрепленный к шестерне, на расстоянии 20 см и посмотрел, когда шестерня сломается.

Прямозубая шестерня сломалась при усилии 190 Н, или это 38 Нм крутящего момента. Это довольно много, но если присмотреться к шестерне, то можно заметить, что она вышла из строя не из-за зуба, а из-за выхода из строя внутренней части или заполнения шестерни.

Поскольку я напечатал каждую шестерню с одинаковыми настройками нити и нарезки, я получил схожие результаты для каждого типа шестерни.

Косозубая шестерня сломалась при усилии 213 Н, или 42,6 Нм, а шестерня «елочка» — при усилии 152 Н, или крутящем моменте 30,4 Нм. 

Итак, чтобы получить более значимые результаты и выяснить, как на самом деле тип шестерни влияет на прочность шестерни, мне пришлось сделать зубья шестерни слабее. Прочность шестерни прямо пропорциональна ширине и модулю шестерни.  Итак, я напечатал в 3D новые шестерни с нижним модулем 2 и шириной 12 мм.

Еще я увеличил расстояние от оси вращения до 30см, так мне будет легче тянуть вниз.

Теперь прямозубая шестерня вышла из строя на зубьях вместо того, чтобы сломать всю шестерню, при усилии 116 Н или крутящем моменте 34,8 Нм.

Однако здесь мы можем заметить, что четыре болта, удерживающие фиксированную шестерню, немного погнулись под действием силы, и поэтому центральное расстояние между шестернями немного увеличилось. Это привело к тому, что контакт нагрузки оказался на самом верху зубьев, что фактически снизило прочность зубьев, но это нормально, поскольку тот же сценарий будет и для других типов шестерен, и поэтому результаты будут сопоставимы.

Косозубая шестерня вышла из строя при усилии 112 Н или крутящем моменте 34 Нм, что очень похоже на прямозубую шестерню. 

Шестерня «елочка», как и ожидалось, показала в этом тесте лучший результат. Он вышел из строя при усилии 120 Н или крутящем моменте 36 Нм.

Итак, разница в силе между тремя типами передач не так уж и велика, но все же ее можно заметить. Можно сказать, что шестерня «елочка» самая прочная.

В любом случае, все три типа передач на самом деле довольно близки по результатам. Единственная разница, которую я действительно заметил между ними, заключалась в редукторе 16:1, а именно в уровне вибраций.

Хотя, очень субъективно, я мог сказать это только прикоснувшись к выходной полосе при вращении на максимальной скорости. Прямозубые шестерни имели значительно более высокий уровень вибрации. Косозубые и елочные передачи были намного более плавными.

Вердикт

Итак, мой окончательный вердикт о том, какой тип оборудования лучше всего подходит для 3D-печати, таков. Старайтесь избегать прямозубых шестерен, по возможности используйте шестерни «елочкой» и используйте шарикоподшипники, которые могут воспринимать осевые силы при использовании косозубых шестерен. Вот и все!

Какой модуль для 3D-печатных шестеренок?

Теперь посмотрим, как модуль влияет на работу шестерни. Модуль шестерни определяет размер зубьев и самой шестерни. Здесь я напечатал в 3D шестеренки с пятью разными модулями, от 1 до 2,5.

Первыми на испытания попадают шестерни с модулем 1 и 50 зубьев. Все они представляют собой шестерни «елочкой» и напечатаны с одинаковыми настройками. Шестерни вышли из строя при усилии 98,3 Н или крутящем моменте 29,5 Нм. На обеих шестернях были сломаны зубья.

Далее идут шестерни с модулем 1,25 и 40 зубьев. Я изменяю количество зубьев так, чтобы размер шестерни менялся соответствующим образом, чтобы соответствовать испытательному стенду с фиксированным центральным расстоянием между шестернями. Эти шестерни вышли из строя при усилии 126 Н или крутящем моменте 37,8 Нм.

Шестерни с модулем 1,5 и 33 зубья вышли из строя при усилии 108 Н или крутящем моменте 32,4 Нм. Правда, здесь на фиксированной шестерне было довольно некоторое смещение, и давление было перенесено на самый верх зубьев. Это потому, что болты уже были погнуты в результате предыдущих испытаний, которые я проводил на этой установке, испытаний на прочность материала, которые мы увидим позже.

Эта установка предназначена только для шестерен с модулем 1,5, так как с этим модулем я мог получить центральное расстояние 49,5 мм, а со всеми остальными модулями 1, 1,25, 2 и 2,5 я мог получить фиксированное центральное расстояние 50 мм путем изменения количества зубьев.

Далее шестерни с модулем 2 и 25 зубьев сломались при усилии 149 Н или крутящем моменте 44,7 Нм.

Шестерни с модулем 2,5 и 20 зубьев вышли из строя при усилии 121 Н или крутящем моменте 36,3 Нм. Вообще-то здесь вместо зубьев сломалась вся шестерня, потому что, я думаю, на этой шестерне заполнение было 30%. Я напечатал в 3D еще одну шестерню с заполнением 45%, и она вышла из строя аналогичным образом, при усилии 124 Н.

Затем я напечатал в 3D еще один, на этот раз со 100% заполнением. Теперь он не сломал всю шестерню. Он сломался у зубьев, но с той же силой в 124 Н.

Это не имело смысла, оно должно было быть прочнее, но проблема, я думаю, заключалась в том, что для этой снасти я использовал старую катушку с той же синей нитью. Это может иметь значение в зависимости от того, насколько старой или влажной была нить на 3D-принтере. Кроме того, каждая марка PLA-нити имеет разную прочность, и даже одна и та же марка, но разный цвет, влияет на прочность материала. Поэтому я напечатал в 3D еще одну шестеренку со 100% заполнением, на этот раз с помощью нити Creality Hyper PLA. Теперь шестерня сломалась на зубцах при усилии 156,4 Н, или крутящем моменте 47 Нм.

Итак, подводя итог этим тестам, можно сказать, что чем больше модуль или зубья шестерен, тем они прочнее. Я имею в виду, это очевидно и логично.

То же самое и с шириной шестерни. Если нам нужна более прочная шестерня, мы также можем увеличить ее ширину.

Заполнение шестерни также способствует ее прочности. Я рекомендую заполнение минимум 35 % при 3D-печати шестерен и заполнение до 100 %, если необходимо. Хотя, вероятно, более важным параметром является количество линий стены, которое я рекомендую составлять 5 или более.

Какой материал самый прочный для 3D-печатных механизмов?

И наконец, давайте выясним, какой материал является самым прочным для механизмов 3D-печати. Для этого теста я буду использовать прямозубые шестерни с модулем 1,5.

Первой на испытания идет нить PLA. Шестерни сломались при усилии 116,9 Н или 35 Нм.

Следующий комплект шестерен напечатан из PLA-углеродного волокна от Creality. Эти шестерни вышли из строя 111Н.

Далее идет нить ABS. Этот вышел из строя при усилии около 90 Н. Однако это происходило более постепенно по сравнению с НОАК. ABS может выдержать некоторый изгиб или деформацию, прежде чем сломается, что в некоторых случаях является хорошим преимуществом.

Затем накальные шестерни ASA сломались с силой 120,9 Н. ASA вели себя как комбинация PLA и ABS, они были такими же прочными, как PLA, даже на 4N прочнее, но все же немного изгибались или деформировались, прежде чем сломаться, как ABS.

Затем нить PETG вышла из строя при усилии 87,2 Н. Перед тем как сломаться, этот тоже немного деформировался.

Наконец, я попробовал напечатать шестерни нейлоном или полиамидом. Этот материал сложнее всего распечатать, но Creality K1C сумел его напечатать.

Тем не менее, результаты очень хорошие. Шестерни вышли из строя при усилии 66 Н, но я не думаю, что это реальная прочность настоящей нейлоновой нити. Я купил его где-то год назад в неизвестном месте, он очень плохой.

В целом, результаты, которые я получил в этом тесте, были довольно точными и соответствовали таблице свойств нити от Simplyfy3D.

Шестерни из PLA обладали наибольшей прочностью, но и наибольшей жесткостью. С другой стороны, шестерни ASA обладают той же прочностью, что и PLA, но имеют меньшую жесткость, как и ABS.

Долговечность

Что касается долговечности материалов, я хотел провести тест на долговечность с помощью редуктора 16:1 и посмотреть, какой материал является наиболее прочным для 3D-печатных шестерен, но мне не удалось это сделать.

Я начал проводить тесты, но шестерни оказались на удивление хорошими и не смогли провалить тест даже после часа отжима, даже при значительной нагрузке на выходной планке. Тест был слишком громким, и моя нынешняя студия или мастерская не позволяли мне проводить этот тест должным образом или достаточно долго.

В любом случае, в будущем я попробую провести этот тест на прочность, а результатами поделюсь в описании к этому видео и в статье на сайте.

На данный момент вы можете использовать вышеупомянутую таблицу в качестве справочного материала, поскольку она также соответствует моим тестам. Я также помещу ссылку в описание.

Надеюсь, вам понравился этот урок и вы узнали что-то новое