Практическое руководство по печати шестеренок на 3D-принтере

Данный материал есть общее руководство по проектированию и печати на послойном 3D-принтере пластиковых шестеренок.

Выключатель света на шестеренках — хитрый пример того, что можно будет спроектировать самостоятельно после прочтения этой статьи.

1. Оптимальные материалы для пластиковых шестеренок
2. Инструкция по печати и сборке шестереночного выключателя
3. Особые преимущества послойной печати и примеры использования шестеренок
4. Специфические проблемы послойной печати
5. Наиболее распространенные причины отказа напечатанных шестеренок
6. О важности эвольвенты
7. Тонкости моделирования зубца. Оптимальное количество зубцов
8. Тонкости моделирования зубца. Угол давления, и Как сделать прочные зубцы
9. Методы крепления на ось
10. Некоторые типы шестеренок
11. Смазка 3D-напечатанных шестеренок
12. Софт для изготовления шестеренок
13. Не-FDM 3D-печать

Оптимальные материалы для пластиковых шестеренок

Какой же материал самый лучший? Короткий ответ в плане качества готовых шестеренок выглядит следующим образом:

Nylon (PA) > PETG > PLA > ABS

 Нейлоновый филамент (PA-6, PA-12, Nylon) — невероятно прочный, долговечный и многофункциональный материал для 3D-печати. Низкий коэффициент трения, надежное сцепление слоев и высокая температура плавления делает его отличным материалом для 3D-печати шестеренок. К недостаткам нейлона можно отнести его склонность к впитыванию влаги и сложность печати этим филаментом.

 PETG (Полиэтилентерефталат-гликоль)  — также жесткий и прочный материал, большим плюсом является его высокий показатель спекаемости слоев, хорошо липнет к столу.

У  PLA по сравнению с  ABS хорошая жесткость и великолепные показатели в плане износостойкости, что делает его фаворитом если это позволяет температура. Низкий температурный порог, при котором деталь из PLA начинает искажаться, делают ABS лучшим выбором, когда речь идет о 75 градусах Цельсия (ABS начинает плавиться при 105).

Кстати, биоразлагаемость PLA — переоцененное свойство. Да, PLA биоразлагаемый материал. Но это никак не может быть заметно конечному пользователю. Биоразлагаемость — совсем не то, что водорастворимость. Чтобы биоразложить пластик, требуются специальные устройства компостирования в управляемой внешней среде.

Инструкция по печати и сборке шестереночного выключателя

Владельцы 3D-принтеров могут бесплатно скачать STL-файлы

• Пожалуйста, обратите внимание, на лицензию «Только для личного пользования», т.е. результат нельзя распространять, продавать, менять и т.д. 
• В собранном виде конструкция имеет 15,87 см в диаметре. Самая большая напечатанная деталь — 14,92 см в диаметре

Распечатайте все детали с не менее чем 3 периметрами по всем сторонам и снизу, 15% заполнения. Рекомендуем толщину слоя не более 0,3 мм. Работать будет любой материал — пока удастся избежать перекосов деталей, что приведет устройство в негодность.

Деталь ручки — единственная, для которой потребуются поддержки.

Инструкция по сборке (прочесть до начала работы)

1. Почистите с помощью лезвия зубцы шестеренок, чтобы они хорошо совмещались, затем установите их на пластину с тем же направлением вращения, в котором они печатались (штырек центральной шестеренки справа, зацепка ведомой — сверху по центру).
2. Закрепите основную шестеренку, попав штырьками в отверстия.
3. Нанесите немного сухого клея (хорошо подойдет клеящий карандаш) на рабочий конец рычага и установите рычаг с той стороны, с которой он совпадает по штырькам. Клей нужен для того, чтобы закрепить рычаг на штырьки. Рычаг также прижимает к конструкции основную шестеренку.
4. Нагрейте и размягчите зажимы. Этого довольно, чтобы их раскрыть. Выровняйте края зажимов по отверстиям с задней стороны пластины и обожмите шестеренку по кругу. (Отверстия на обороте пластины могут потребовать чистки — нож в помощь, все зависит от того, насколько хорош у вас принтер). Прижимайте зажимы до застывания. Это гарантирует, что все будет надежно держаться.

Особые преимущества послойной печати и примеры использования шестеренок

Итак, в чем же преимущество 3D-печати шестеренок перед традиционными методами их изготовления, и насколько прочными получаются шестеренки?

Напечатанные пластиковые шестеренки дешевы, процесс быстр, можно без труда получить специализированный результат. Сложные шестеренки и 3D-вариации печатаются без проблем. Процесс прототипирования и создания проходит быстро и чисто. Самое главное то, что 3D-принтеры достаточно распространены, так что набор STL-файлов из интернета может обеспечить тысячи людей.

Конечно, печатать шестеренки распространенным пластиком — это компромисс по качеству поверхности и износостойкости, если сравнивать с литыми или обработанными пластиковыми шестернями. Но если правильно все спроектировать, напечатанные шестеренки могут оказаться достаточно эффективным и разумным вариантом, а для некоторых решений — идеальным.

Большинство рабочих приложений выглядят наподобие редуктора, как правило, для небольших электродвигателей, ручек и заводных ключей. Это потому, что электродвигатели отлично работают на высоких скоростях, но у них возникают проблемы с резким снижением оборотов, и обойтись без шестереночной передачи в таком случае проблематично. Вот примеры:

• Nema 17 Stepper Motor Planetary Gear Reducer
• High Load Linear Actuator
• 3 Jaw Lathe Chuck

Специфические проблемы послойной печати

1. Напечатанные шестеренки перед использованием обычно требуют небольшой постобработки. Будьте готовы к «червоточинам» и к тому, что зубцы нужно будет обработать лезвием.
   
   Уменьшение диаметра центрального отверстия — очень распространенная беда даже на дорогих принтерах. Это результат множества факторов. Отчасти это — температурное сжатие охлаждающегося пластика, отчасти — потому что отверстия проектируются в виде многоугольников с большим числом углов, которые стягиваются по периметру отверстия. (Всегда экспортируйте STL-файлы шестеренок с большим числом сегментов).
   
   Слайсеры тоже вносят свой вклад, поскольку некоторые из этих программ могут выбирать разные точки для обхода отверстий. Если внутренний край отверстия будет рисовать внутренний край экструдируемого пластика, то реальный диаметр отверстия будет иметь небольшую усадку, и чтобы в это отверстие потом что-нибудь вставить, может понадобиться определенное усилие. Так что слайсер может вполне намеренно делать отверстия меньше.
   
   Кроме того, любое расхождение слоев или расхождение по ширине предполагаемого и реального экструдирования могут оказывать довольно заметный эффект, «уплотняя» отверстие. Бороться с этим можно, например, моделируя отверстия диаметром примерно на 0,005 см больше. По аналогичным причинам, и чтобы напечатанные шестеренки помещались друг рядом с другом и могли работать, рекомендуется оставлять в модели зазор между зубцами примерно в 0,4 мм. Это некоторый компромисс, зато напечатанные шестеренки не будут застревать.
   
   
2. Другая распространенная проблема — получить сплошное заполнение, что довольно трудно для маленьких шестеренок. Щели между маленькими зубчиками — довольно обычное явление, даже если в слайсере выставлено заполнение 100%.
   
   Некоторые программы относительно успешно справляются с этим в автоматическом режиме, а вручную решить эту проблему можно, увеличив перекрытие слоев. Эта задача отлично задокументирована на RichRap, и в блоге приведены различные ее решения.
   
   
3. Тонкостенные детали получаются хрупкими, нависающие части нуждаются в подпорках, прочность детали значительно меньше по оси Z. Рекомендуемые для печати шестеренок настройки не отличаются от обычных. На основе уже проведенных тестов можно порекомендовать прямоугольное заполнение и не менее 3 периметров. Желательно также печатать как можно более тонким слоем — насколько позволяет оборудование и терпение, потому что тогда зубцы получаются более гладкими.
   
   
4. Однако же, пластик недорог, а время дорого. Если проблема критична или нужно заменить огромную сломавшуюся шестерню, можно печатать и сплошным заполнением, чтобы не оставить шанса на какую-нибудь другую засаду, кроме износа.

Наиболее распространенные причины отказа напечатанных шестеренок

• Стачивание зубцов (от длительного использования, см. Шаг 10 про смазку).
• Поломка зубцов (при высоких нагрузках).
• Проблемы с насаживанием на ось (см. Шаг 7 про насаживание).
• Поломка тела или спицы (это редкие поломки, которые возникают обычно, если шестеренка плохо напечатана, с недостаточным заполнением, например, или спроектирована со слишком тонкими спицами).

О важности эвольвенты

Плохой способ изготовления шестеренок

Довольно часто в любительских сообществах можно встретить неправильно спроектированные шестеренки — моделирование шестеренок  дело не такое уж и простое. Как нетрудно догадаться, плохо спроектированные шестеренки плохо сцепляются, имеют избыточное трение, давление, отдачу, неравномерную скорость вращения.

Эвольвента (инволюта) — это определенного рода оптимальная кривая, описываемая по какому-либо контуру. В технике эвольвенту окружности используют как профиль зубца для колес зубчатой передачи. Это делается для того, чтобы скорость вращения и угол сцепления оставались постоянными. Хорошо разработанный набор шестеренок должен передавать движение исключительно через вращение, с минимальным проскальзыванием.

Моделирование эвольвентной шестеренки с нуля — дело довольно нудное, так что перед тем, как за него браться, имеет смысл поискать шаблоны. Ссылки на некоторые из них будут даны ниже.

Тонкости моделирования зубца. Оптимальное количество зубцов

Подумайте вот о чем: если вам нужно передаточное число 2:1 для линейного механизма — сколько зубцов должно быть на каждой шестеренке? Что лучше — 30 и 60, 15 и 30 или 8 и 17?

Каждое из этих соотношений даст один и тот же результат, но комплект шестеренок в каждом случае будет при печати сильно отличаться.

Большее количество зубцов дает более высокий коэффициент сцепления (количество одновременно зацепленных зубцов) и обеспечивает более плавное вращение. Увеличение количества зубцов приводит к тому, что каждый из них должен быть меньше — чтобы уместиться на тот же диаметр. Мелкие зубцы более хрупкие, их сложнее точно напечатать.

С другой стороны, уменьшение количества зубцов дает больше объема для увеличения прочности.

Печатать на 3D-принтере меленькие шестеренки — это как раскрашивать в раскраске тонкие линии толстой кисточкой. (Это на 100% зависит от диаметра сопла и разрешения принтера по горизонтальной плоскости. Разрешение по вертикали не играет роли в ограничении по минимальным размерам).

Если вы хотите испытать свой принтер в деле печатания мелких шестеренок, можете воспользоваться этим STL:

Протестированный нами принтер все выполнил на высшем уровне, но при диаметре от примерно полудюйма зубцы стали выглядеть как-то подозрительно.

Совет заключается в том, чтобы делать зубцы как можно больше, избегая при этом предупреждения от программы о слишком малом их количестве, а также избегая пересечений.

Есть еще один момент, на который следует обратить внимание при выборе количества зубцов: простые числа и факторизация.

Числа 15 и 30 оба делятся на 15, так что при таком количестве зубцов на двух шестеренках одни и те же зубцы будут постоянно встречаться друг с другом, образуя точки износа.

Более правильное решение — 15 и 31. (Это ответ на вопрос в начале раздела).

При этом не соблюдается пропорция, зато обеспечивается равномерный износ пары шестеренок. Пыль и грязь будут распределяться по всей шестеренке равномерно, износ тоже.

Опыт показывает, что лучше всего, если соотношение количества зубцов двух шестеренок лежит в интервале примерно от 0,2 до 5. Если требуется большее передаточное число, лучше добавить в систему дополнительную шестеренку, иначе может получиться механический монстр.

Мало зубцов — это сколько?

Такую информацию можно найти в каком-нибудь Справочнике механика. 13 – минимальная рекомендация для шестеренок с углом давления 20 градусов, 9 — рекомендованный минимум для 25 градусов.

Меньшее число зубцов нежелательно, потому что они будут пересекаться, что ослабит сами зубцы, да и в процессе печати придется решать проблему перекрытия.

•  Gear_Tooth_Tester.stl

Тонкости моделирования зубца. Угол давления, и Как сделать прочные зубцы

Угол давления 15, угол давления 35

Угол давления? Зачем мне это знать?

Это угол между нормалью к поверхности зубца и диаметром окружности. Зубцы с большим углом давления (более треугольные) прочнее, но хуже сцепляются. Их проще печатать, но при работе они создают высокую радиальную нагрузку на несущую ось, издают больше шума и склонны к отдаче и проскальзыванию.

Для 3D-печати хорошим вариантом является 25 градусов, что обеспечивает плавную и эффективную передачу в шестернях размером с ладонь.

Что еще можно сделать для укрепления зубцов?

Просто сделайте шестерню толще — это, очевидно, укрепит и зубцы. Удвоение толщины дает удвоение прочности. Хорошее общее правило гласит: толщина должна быть от трех до пяти раз больше шага зацепления шестеренки.

Прочность зубца шестеренки можно приблизительно оценить, если рассматривать его как небольшую консольную балку. При таком подходе ясно, что добавление перекрывающей сплошной стенки для уменьшение неподдерживаемой площади значительно укрепляет прочность зубцов шестеренок. В зависимости от применения, такая техника расчетов может быть использована также для уменьшения числа точек зацепления.

Методы крепления на ось

Утопленный шестиугольник (шестигранник); фиксирующий винт в плоскости

Шестеренка с клином на оси

Тугая насадка на ось с насечками. Этот самый простой метод встречается не слишком часто. Здесь надо быть внимательным со перекосом пластика, что с течением времени ухудшит передачу момента. Такая конструкция является также неразборной.

Ось на фиксирующем винте в плоскости шестерни. Фиксирующий винт проходит сквозь шестерню и упирается в плоский участок на оси. Фиксирующий винт обычно направляется непосредственно в тело шестерни или через утопленную гайку через квадратное отверстие. У каждого метода есть свои риски.

Если направлять винт напрямую, можно сорвать хрупкую пластиковую резьбу. Метод с утопленной гайкой решает эту проблему, но, если не проявить достаточно аккуратности и приложить при креплении слишком большое усилие, тело шестерни может сломаться. Делайте шестерню потолще!

Добавление специальных ввинчивающихся термовставок, как здесь, существенно улучшит прочность насадки на ось.

Утопленный шестигранник — шестиугольная врезка, в которой сидит шестиугольная гайка под шестиугольный винт. Вокруг шестиугольника нужно напечатать достаточно сплошных слоев, так чтобы винту было за что держаться. При этом тоже полезно использовать фиксирующий винт, особенно если речь идет о высоких оборотах.

Клин встречается в мире любительской 3D-печати нечасто.

Ось как единое целое с гайкой. Такое решение хорошо противостоит нагрузкам на скручивание. Его, однако, очень трудно добиться на принтере, потому что шестерни приходится печатать перпендикулярно к поверхности стола, а любые оси при таком решении имеют слабое место по оси Z, что проявляется при высоких нагрузках.

Некоторые типы шестеренок

Внешние и внутренние прямозубые шестерни, параллельные спиральные (косозубые), двойные спиральные, реечные, конические, винтовые, плосковершинные, червячные

Спиральное зубчатое колесо (елочка). Его обычно можно увидеть в экструдерах принтеров, они сложны в работе, но имеют свои преимущества. Они хороши большим коэффициентом сцепления, самоцентровкой и самовыравниванием. (Самовыравнивание бесит, потому что отражается на работе всей конструкции). Этот тип шестеренок также непрост в изготовлении на обычном оборудовании, вроде любительских принтеров. 3D-печать знает значительно более простые методы.

Червячная шестерня. Легко моделируется, есть большой соблазн ее использовать. Следует отметить, что передаточное число такой системы равно числу зубцов шестеренки, поделенному на количество проемов червяка. (Надо посмотреть с торца червяка и посчитать количество начинающихся спиралей. В большинстве случаев получается от 1 до 3).

Реечная шестерня. Преобразует вращательное движение в линейное и наоборот. Здесь речь идет не о вращении, а о расстоянии, которое проходит рейка с каждым поворотом вала шестерни. Тут очень просто вычислять плотность зубцов: надо лишь умножить их плотность на рейке на пи и на диаметр шестерни. (Или умножить количество зубцов на рейке на плотность зубцов на шестерне).

Смазка 3D-напечатанных шестеренок

Если устройство работает при малых нагрузках, на малых скоростях и частотах, о смазке пластиковых шестеренок можно не беспокоиться. Но если нагрузки высоки, то можно попробовать продлить срок службы, смазывая шестерни и уменьшая трение и износ. В любом случае все функции шестеренок более эффективны при наличии смазки, а сами шестерни служат дольше

Для таких объектов, как шестеренки экструдера 3D-принтера, можно порекомендовать плотную смазку. Для этого отлично подойдут литол, PTFE или смазки на силиконовой основе. Смазку надо наносить, слегка протирая деталь туалетной бумагой, чистым бумажным полотенцем или не пыльной тканью, равномерно распределяя лубрикант, несколько раз провернув шестеренку.

Любая смазка лучше, чем никакой, но надо убедиться в ее химической совместимости с данным пластиком. А еще всегда надо помнить, что смазка WD-40 — отстой. Хотя она и прилично чистит.

Инструментарий для изготовления шестеренок

Высококачественные шестеренки можно делать на одних лишь бесплатных программах. То есть, существуют платные программы для очень оптимизированных и совершенных шестереночных соединений, с тонко настраиваемыми параметрами и оптимальной производительностью, но от добра добра не ищут. Просто надо сделать так, чтобы в одном и том же механизме использовались шестеренки, изготовленные одним и тем же инструментом, чтобы соединения сцеплялись как надо. Шестеренки лучше моделировать парами.

Вариант 1. Найти имеющуюся модель шестеренки, модифицировать или масштабировать ее под свои нужды. Вот перечень баз данных, где можно найти готовые модели шестеренок.

• McMaster Carr: обширный массив 3D-моделей, проверенных решений
• GrabCAD: гигантская база данных присланных пользователями моделей
• 3DContentCentral: база данных присланных пользователями моделей
• Misumi: 3D-модели мелких механических деталей
• Stock Drive Products: 3D-модели множества типов шестеренок

Вариант 2. Разработать шестеренку с нуля, используя бесплатные онлайн-шаблоны для генерации шестеренок

Если вы не можете получить подходящую деталь, копируя имеющиеся модели, следующим вариантом для создания собственного решения будет использование эвольвентного генератора шаблонов шестеренок. К счастью, тут на помощь придет множество крутых инструментов.

• Вот набор полезных моделей шестеренок для кастомизации на Thingiverse.
• Matthias Wandel's classic – программа для генерации шестеренок.
• Online STL File Creator — создаем STL-файлы легко и просто.
• GearGenerator.com генерирует SVG-файлы прямозубых шестеренок (Эти файлы могут быть конвертированы в импортируемые DXF здесь. Впрочем, некоторые программы, такие как Blender, умеют импортировать SVG напрямую, без танцев с бубнами).
• https://inkscape.org/ru/ – бесплатная программа векторной графики с интегрированным генератором шестеренок. Приличное руководство по созданию шестеренок на Inkscape — здесь и здесь тоже.

Редакторы STL-файлов

Большинство генераторов шаблонов шестеренок дают на выходе STL-файлы, что может раздражать, если вам требуются особенности, которых генератор не предлагает. STL–файлы — это PDF мира 3D, они изощренно сложны для редактирования, однако редактирование возможно.

TinkerCAD. Хорошая элементарная браузерная CAD-программа, простая и быстрая в освоении, одна из немногих программ 3D-моделирования, которая умеет модифицировать STL-файлы. www.Tinkercad.com

Meshmixer. Хорошая программа для масштабирования исходных форм. http://meshmixer.com/

Не-FDM 3D-печать

Большинство людей, даже убежденные любители, не имеют непосредственного доступа к другим технологиям 3D-печати для изготовления шестеренок. Между тем такие сервисы существуют и могут помочь.

SLA – отличная технология для профессионального прототипирования шестеренок. Печатаемые слои не видны, в результате процесса можно получать очень мелкие детали. С другой стороны, детали получаются дорогими и несколько хрупкими. Если вы используете этот процесс для прототипирования будущей литой модели, проблем с ее извлечением не возникнет. Делайте деталь сплошной, а то она непременно сломается!

SLS – очень точный процесс, в результате которого получаются прочные детали. Технология не требует подпорок для нависающих структур. Можно создавать сложные и подробные изделия, лучше со стенками толщиной до четверти дюйма. Слои печати также почти невидимы... НО, шершавая поверхность (потому что технология основана на порошковой печати) крайне склонна к износу. Требуется очень мощная смазка, и многие вообще не рекомендуют SLS-шестеренки для приложений длительного пользования.

Технология BinderJet хороша для детализированных и точных многоцветных декоративных или не конструкционных деталей. Подойдет для получения деталей безумных цветов, впрочем, очень хрупких и зернистых, так что это не то, что требуется для функциональных шестеренок.

Другие статьи и проекты автора: https://engineerdog.com/