3D-печать шестерни — это возможно, а иногда даже предпочтительно! Научитесь создавать шестеренки своими руками, которые будут соответствовать вашим требованиям.
Шестерни — один из самых основных компонентов для передачи движения в механических узлах. Они появились как минимум в IV веке до н. э. в Китае и сегодня встречаются во многих устройствах, от крошечных часов до громоздких коробок передач автомобилей.
Хотя на первый взгляд это может показаться неинтуитивным, 3D-печать шестеренок не только возможна, но и очень даже целесообразна. Хотя 3D-печатные шестеренки изначально слабее своих металлических и пластиковых аналогов (если вы не пользуетесь услугами 3D-печати), они, тем не менее, подходят для широкого спектра применений. Однако следует учитывать их ограничения в отношении материала и точности размеров.
Будь то новый проект или замена деталей, проектирование и 3D-печать шестеренок — всегда хороший выбор. В этой статье мы рассмотрим несколько важных советов, начиная с краткого обзора шестеренок.
Шестерня 101
Шестерни — это круто, практично и несомненно интересно. Но как они работают и на что способны?
В своей самой простой форме шестерни используют зацепляющиеся зубья для передачи и преобразования вращательного движения между собой. Шестерни одинакового размера просто передают вращение от одного центра шестерни к другому, в то время как шестерни разного размера могут изменять скорость и крутящий момент.
Один из основных принципов работы механических передач заключается в том, что одному зубу вращения одной шестерни соответствует один зуб вращения ее товарища. Рассмотрим, например зацепление шестерни с 15 зубьями с шестерней с 60 зубьями. Соотношение 60:15 равно так называемому передаточному числу 4, это означает, что маленькая шестеренка вращается четыре раза за каждый оборот большой шестеренки.
Более медленное вращение 60-зубой шестерни обеспечивает ей большую силу вращения, называемую крутящим моментом. В этом случае скорость обменивается на силу, и это лишь один пример того, как можно комбинировать шестерни для создания сложных механических взаимодействий.
Планирование наперед
Чтобы успешно напечатать шестеренки на 3D-принтере с нуля, настоятельно рекомендуется планировать и тестировать.
Во-первых, вам нужно определить свои цели. Где будут установлены эти детали? Будут ли они использоваться в течение короткого или длительного времени? Для замены деталей, какие материалы использовались для оригинальных деталей? Все эти аспекты в дальнейшем повлияют на разработку и выбор материала, поэтому их следует учитывать с самого начала.
Протестируйте свой принтер
Очень важно знать возможности своего 3D-принтера в отношении размера зубьев. Этот тестовый отпечаток шестерни — отличная отправная точка. Проверьте точность и не забудьте использовать тот же материал, который вы планируете использовать для конечных шестеренок.
Размер имеет значение
После того как вы узнали, насколько маленькими могут быть шестеренки, вам также следует выяснить, насколько большими они могут быть. Большие шестерни позволяют получить более крупные зубья при том же передаточном числе. Кроме того, более крупные зубья прочнее, лучше переносят погрешности допусков и легче поддаются постобработке.
В связи с этим обратите внимание на ширину торца, которая является «высотой» шестерни, если ее разложить на столе. Часто определяемая с помощью различных эмпирических правил, ширина напрямую связана с прочностью шестерни и поэтому должна быть хорошо продумана.
Муфта вала
Наконец, рассмотрим муфту вала. Именно так шестерни будут крепиться к валу, который вы будете использовать. Этот механизм играет важную роль в передаче движения и, скорее всего, станет точкой отказа в вашей конструкции, поскольку валы обычно изготавливаются из металла, особенно в двигателях.
Хорошей альтернативой может стать некруглое соединение, например, шестигранное, а также использование шарикоподшипников и других креплений.
Разработка
3D-печатные шестерни легко прототипировать, но хорошо функционирующие шестерни сильно зависят от некоторых ключевых параметров. Современный дизайн зубчатых передач — это 100-летняя дисциплина, которая включает в себя много физики. И хотя существует множество зубчатых систем, эвольвентная цилиндрическая передача является самой распространенной.
При проектировании классической передачи важными параметрами являются диаметры зубьев, углы давления, ширина торцов, межосевые расстояния, модули — список можно продолжать. Здесь мы не будем вдаваться в тонкости, но существует множество онлайн-источников и интерактивных инструментов.
Тем не менее, самый главный принцип конструирования эвольвентных зубчатых колес заключается в том, что сопрягаемая поверхность между двумя зубьями находится в одной точке. И это возможно только при использовании определенного профиля зубьев, составленного из эвольвент окружности, отсюда и название.
При проектировании шестерни с нуля придется потратить некоторое время на изучение параметров шестерни и использование таких инструментов, как Gear Generator. Этот сайт создает цилиндрические шестерни на основе размеров, введенных пользователем. Эти данные включают в себя количество зубьев, диаметр зубьев, диаметральный шаг и угол давления. Поскольку эти термины немного специфичны, для успешного использования Gear Generator вам понадобятся некоторые знания о зубчатых передачах. Однако если изменить один параметр, все связанные с ним размеры будут пропорционально изменены сайтом, так что работающая шестерня будет создана независимо от этого. После того как шестерни будут спроектированы в Gear Generator, их можно загрузить в виде файла DXF или SVG.
Gear Generator — не единственный удобный инструмент, которую можно использовать для создания шестеренок. В Fusion 360 доступно дополнение Spur Gear, которое требует знания нескольких параметров проектирования в дополнение к тем, что указаны для Gear Generator. Требуются значения модуля, люфта и радиуса корневой галтели, что делает надстройку Spur Gear универсальной, но немного более сложной для создания зубчатых колес.
Если вы новичок, то Tinkercad также может быть достойным вариантом. Вы можете использовать программу для создания цилиндрических шестеренок, которые доступны в библиотеке Shapes. Это самый простой вариант, о котором мы говорили, и для создания шестеренок требуется значительно меньше параметров. Только имейте в виду, что для обеспечения правильной работы изделия может потребоваться тестирование, поскольку результаты обычно менее точны. В противном случае простые конструкции зубчатых колес для новых проектов можно найти в таких онлайн-репозиториях, как McMaster Carr, 3DContentCentral и GrabCAD.
Филамент
Давайте смотреть правде в глаза: Отпечатанные шестеренки никогда не будут такими же прочными и долговечными, как литые под давлением или обработанные на станке детали. Однако, учитывая широкое разнообразие пластиков, доступных для 3D-печати, существует множество приложений, для которых 3D-печать может быть адекватной или даже превосходить по функциональности.
С точки зрения долговечности, нейлон является первым выбором, особенно для работы без смазки. Несмотря на относительную сложность 3D-печати, нейлон обладает прочностью и гибкостью, необходимыми для изготовления долговечных пластиковых шестеренок. Вы можете ознакомиться с нашим руководством по филаментам, чтобы узнать больше о настройках печати и лучших брендах.
Чтобы сократить количество хлопот, можно использовать более распространенные материалы для 3D-печати, такие как PLA+, ABS или PETG. Их рекомендуется использовать вместо более популярного PLA — хрупкого материала, который легко ломается под нагрузкой. PLA+ рекомендуется потому, что он обладает повышенной прочностью и гибкостью, а также может использоваться для изготовления функциональных деталей. Детали из PLA+, как правило более гибкие и выдерживают давление лучше, чем традиционный PLA, что делает их предпочтительными для 3D-печати шестеренок.
3D-печать
Наконец, пришло время материализовать ваши шестеренки. Вот несколько моментов, которые следует учитывать в параметрах слайсера и настройках принтера:
- Ориентация: Печатайте шестеренки лицевой стороной вниз. При такой ориентации слои будут ложиться более прочно.
- Обдув: Особенно в случае с PETG включение вентилятора для охлаждения деталей может ослабить 3D-печать. Его отключение позволяет слоям сплавляться вместе и увеличивать прочность по оси Z.
- Выровняйте стол: Убедитесь, что стол идеально выровнен. При печати шестеренок лицевой стороной вниз любые неровности на печатной пластине будут создавать искажения, которые могут повлиять на функциональность.
- Высота первого слоя: Регулировка высоты первого слоя — еще один способ повысить точность деталей. Увеличение высоты первого слоя на один шаг, например, до 0,25 мм при высоте слоя 0,2 мм, может уменьшить «слоновью ногу» и улучшить функциональность. Если сопло расположено слишком близко к печатной пластине, первый слой выйдет сплющенным и создаст отклонения на зубцах, которые не позволят правильно сопрягать детали. В качестве альтернативы можно использовать подложку.
- Высота слоя: Несмотря на то, что нагрузка приходится на оси XY (при условии, что шестерня печатается лицевой стороной вниз), высота слоя все равно может повлиять на общую прочность детали. Меньшая высота слоя, например 0,1-0,15 мм, обеспечит более прочную и однородную структуру.
- Температура сопла: Более высокая температура сопла улучшит адгезию слоев, подобно тому, как это делает уменьшение скорости вентилятора обдува детали. 210-220 °C — хорошая отправная точка для PLA, а 230-250 °C — для PETG, хотя важно учитывать, что у разных брендов разные рекомендуемые производителем настройки.
- Заполнение: Правильно подобранный шаблон заполнения — один из самых важных параметров при печати шестеренок — значительно повысит прочность детали и возможно избавит от многих проблем. Рекомендуется увеличить процентное содержание до 50-100 % и использовать кубический, гироидный или какой-либо другой сильный шаблон заполнения.
- Проблемы печати: Избавьтесь от пробелов, паутины и чрезмерной экструзии. Эти дефекты на поверхности зубьев приводят к неправильному зацеплению шестеренок.
- Другие настройки слайсера: Выбирайте настройки, способствующие повышению прочности деталей. Например, более высокая температура сопла обеспечит лучшее сцепление слоев.
- Постобработка: 3D-печатные шестеренки часто требуют некоторой постобработки, чтобы привести их в порядок и подготовить к использованию. Вам может понадобиться нож для зачистки зубьев, а для устранения неточностей и мелких дефектов неплохо бы отшлифовать детали напильником или наждачной бумагой.
- Отжиг: Отжиг — это метод постобработки, который позволяет сделать 3D-отпечатки более похожими на детали, изготовленные методом литья под давлением. Повторное плавление пластика позволяет сделать деталь более однородной и равномерно прочной по всем осям. Это особенно эффективно для PETG, хотя может сделать детали из PLA+ более хрупкими.
Большинство приведенных выше советов относятся к общей калибровке принтера. Для получения подробных инструкций по этому вопросу обязательно ознакомьтесь с нашим руководством по калибровке 3D-принтера.
Редуктор
3D-печатные шестеренки очень просты в изготовлении и могут использоваться для самых разных целей. Вы можете найти вдохновение и множество примеров в интернете. Одно из распространенных применений — 3D-печать шестеренок для таких хобби, как RC-автомобили. Также можно напечатать 3D-шестерни для конкретных инструментов, которые вы делаете. Для своих двухзубых столярных тисков Александр Шапель напечатал шестеренку.
Еще одна распространенная причина для 3D-печати шестеренок — ремонт сломанных деталей. Шестеренки, которые сломались от постоянного использования, можно починить, сохранив неповрежденные части компонента от выброса в мусор. Например, RWGresearch напечатал на 3D-принтере шестеренку для спидометра своего мотоцикла. Существует еще больше вариантов применения 3D-печати шестеренок, но это лишь несколько отличных примеров того, что возможно.
Независимо от конечного применения, мы надеемся, что это руководство предоставило достаточно информации, чтобы вдохновить и помочь вам в изготовлении этих классических механических компонентов.
