3D 打印齒輪:如何制作
魔猴君 知識堂 362天前
齒輪是機械組件中傳遞運動的最基本部件之一。它們的歷史至少可以追溯到公元前 4 世紀的中國,如今在許多應(yīng)用中都可以看到它們的身影,小到鐘表,大到汽車變速箱。
雖然3D打印齒輪初看起來似乎并不直觀,但它不僅是可行的,而且非常值得一試。雖然 3D 打印齒輪在本質(zhì)上比金屬和注塑齒輪要弱,但它們?nèi)匀贿m用于各種應(yīng)用。不過,我們應(yīng)該考慮到它們在材料和尺寸精度方面的局限性。
無論是新設(shè)計的項目還是部件更換,設(shè)計和 3D 打印齒輪總是一個不錯的選擇。在本文中,魔猴網(wǎng)將從齒輪的簡短回顧開始,介紹一些重要的技巧。
齒輪介紹
齒輪很酷、很有用,顯然也很有趣。但它們是如何工作的,又能實現(xiàn)什么功能呢?
齒輪的最基本形式是利用嚙合齒在齒輪之間傳遞和轉(zhuǎn)換旋轉(zhuǎn)運動。尺寸相同的齒輪只是將旋轉(zhuǎn)從一個齒輪中心傳遞到另一個齒輪中心,而尺寸不同的齒輪則可以改變速度和扭矩。
機械齒輪的最基本原理之一是,一個齒輪上的一個旋轉(zhuǎn)齒與其配偶上的一個旋轉(zhuǎn)齒相匹配。例如,一個 15 齒齒輪與一個 60 齒齒輪嚙合。60:15 的比率相當于所謂的 4 齒輪比,即大齒輪每轉(zhuǎn)動一圈,小齒輪就轉(zhuǎn)動四圈。
60 齒齒輪的旋轉(zhuǎn)速度較慢,因此可以獲得更大的旋轉(zhuǎn)力,即扭矩。在這種情況下,速度換來了力量,這只是齒輪如何組合以產(chǎn)生復(fù)雜機械相互作用的一個例子。
1、準備工作
您可以通過測試打印一些設(shè)計來檢查您的牙齒可以有多小(來源:dpechter via Thingiverse)
為了成功地從零開始制作 3D 打印齒輪,強烈建議進行一些規(guī)劃和測試。
首先,您需要明確自己的目標。這些零件將安裝在哪里?使用時間是長還是短?在更換零件時,原始零件使用的是什么材料?所有這些方面都會影響到后續(xù)的設(shè)計和材料選擇,因此從一開始就應(yīng)加以考慮。
測試您的打印機
了解 3D 打印機在齒輪尺寸方面的限制非常重要。齒輪測試打印是一個很好的起點。檢查精度,并記住使用與您計劃用于最終齒輪的相同材料。
尺寸至關(guān)重要
知道了可以加工多小的尺寸后,還應(yīng)該弄清楚可以加工多大的尺寸。在相同的傳動比下,較大的齒輪允許較大的齒。更大的齒也更堅固,能更好地處理公差誤差,并且更容易進行后期加工。
關(guān)于這一點,請注意齒面寬度,即齒輪平放在桌面上的 "高度"。通常使用各種經(jīng)驗法則來定義,寬度與齒輪強度直接相關(guān),因此應(yīng)充分考慮。
聯(lián)軸器
最后,要考慮聯(lián)軸器。這就是如何將齒輪連接到您將使用的任何軸上。由于軸通常由金屬制成,尤其是在電機中,因此該接口在傳遞運動中起著重要作用,并且很可能成為設(shè)計中的故障點。
使用非圓形聯(lián)軸器(如六角聯(lián)軸器)以及滾珠軸承和其他裝置支架是一個不錯的選擇。
2、設(shè)計
正齒輪的齒廓由漸開線圓構(gòu)成(來源:?eljko Kanovi?,來自 Research Gate)
3D 打印齒輪很容易制作原型,但能否良好運轉(zhuǎn)在很大程度上取決于一些關(guān)鍵參數(shù)。現(xiàn)代齒輪設(shè)計是一門擁有百年歷史的學(xué)科,其中涉及大量物理學(xué)知識。雖然有很多齒輪系統(tǒng),但迄今為止,漸開線正齒輪是最常見的。
在設(shè)計經(jīng)典大齒輪時,重要參數(shù)包括節(jié)圓直徑、壓力角、齒面寬度、中心距、模數(shù)等,不勝枚舉。雖然我們不會在此討論細節(jié)問題,但有很多在線資料和交互式工具可供使用。
不過,漸開線齒輪設(shè)計的最基本原則是兩個齒之間的嚙合面在一個點上。只有使用由圓的漸開線構(gòu)成的特定齒形才能實現(xiàn)這一點,漸開線齒輪也因此而得名。
您可以使用 Fusion 360 插件輕松制作齒輪模型(來源:Lucas Carolo,來自 All3DP)
從零開始設(shè)計齒輪需要花一些時間學(xué)習(xí)齒輪參數(shù)和使用齒輪發(fā)生器等工具。不過,您可以使用 Fusion 360 的正齒輪插件等工具來解決這個問題,只需知道幾個設(shè)計參數(shù)即可。否則,新項目的簡單齒輪設(shè)計可以從 McMaster Carr、3DContentCentral 和 GrabCAD 等在線資源庫中獲取。
3、材料
3D 打印齒輪無法承受與金屬或注塑齒輪相同的負載(來源:Maker's Muse via YouTube)
3D 打印齒輪永遠不會像注塑成型或機械加工部件那樣堅固耐用。不過,考慮到可用于 3D 打印的塑料種類繁多,3D 打印在很多應(yīng)用中都可以勝任,甚至在功能上更勝一籌。
就耐用性而言,尼龍是首選,尤其是在無潤滑的情況下操作。雖然三維打印相對困難,但尼龍具有制造耐用塑料齒輪所需的強度和柔韌性。您可以查看我們的尼龍絲指南,了解有關(guān)打印設(shè)置和最佳品牌的更多信息。
為了減少麻煩,PLA+ 或 ABS 等更常見的 3D 打印材料也是不錯的選擇。事實上,Maker's Muse YouTube 頻道的 Angus 測試了幾種材料的齒輪強度。他的結(jié)果表明,PLA+ 材料,尤其是 BASF Ultrafuse PLA Pro 1,出人意料地遙遙領(lǐng)先。不過要注意的是,所做的靜態(tài)測試并不能評估耐久性。
4、3D 打印
正確的 3D 打印設(shè)置可以保證齒輪堅固且易于組裝(來源:Fillamentum)
最后,是時候?qū)⒛凝X輪實體化了。下面是一些有關(guān) 3D 打印的注意事項:
方向:面朝下打印齒輪。這種方向的層沉積方式將使齒輪更加堅固。
水平床:確保床面完全平整。在面朝下打印齒輪時,床面的任何不平整都會造成變形,可能會影響功能。
第一層高度:調(diào)整設(shè)置以獲得最佳的第一層高度。如果噴嘴離床面太近,第一層就會被擠扁,并在齒上產(chǎn)生偏差,從而無法實現(xiàn)正確的嚙合。另外,也可以考慮使用筏板。
打印異常:消除斑點、串聯(lián)和過度擠出。這些齒面上的缺陷會導(dǎo)致齒輪嚙合不良。
其他切片機設(shè)置:選擇有利于零件強度的設(shè)置。例如,較高的噴嘴溫度會使各層更好地粘合。
總結(jié)
齒輪相對容易 3D 打印,并且可以用于有趣或功能性的目的(來源:Brian Zweerink 的 Awesome Blog)
3D 打印齒輪非??尚?,可以滿足多種不同的用途。無論最終用途如何,我們都希望本指南能提供足夠的信息,鼓勵并幫助您制作這些經(jīng)典的機械部件。
編譯整理:ALL3DP