マスター 3D プリントギア:専門家のヒントと完全なガイド

このチュートリアルでは、3D プリント ギアについて知っておくべきこと、私がかなりの数のギアを 3D プリントして何十ものテストを行って得たヒントやコツについて学びます。

次のビデオを見るか、以下のチュートリアルを読むことができます。

強度、効率、バックラッシュの観点から、平歯車、はすば歯車、またはヘリンボーン歯車のどのタイプの歯車が 3D プリントに最適であるかについて説明します。

ギアのモジュールがその性能にどのような影響を与えるか、プリントの充填物がギアの強度にどのような影響を与えるか、3D プリントされたギアに最適な素材は何か。

PLA、PLA-CF、ABS、PETG、ASA、ナイロンの 6 つの異なる素材をテストに使用しました。破壊までの強度テストを行うことで、どれが最も強いかを確認します。

平歯車、ヘリカル歯車、ヘリンボーン歯車

わかりました。まず、さまざまな種類の歯車、平歯車、はすば歯車、ヘリンボーン歯車を比較してみましょう。

平歯車は最も単純なタイプの歯車で、歯車の軸に平行に取り付けられたまっすぐな歯が特徴です。一方、はすば歯車の歯は、歯車の軸に対して角度を付けて配置されています。ヘリンボーン歯車は、左右のねじれを持つ 2 つの反対側のはすば歯車を組み合わせたものです。

現実世界や業界では、製造が最も簡単で安価であるため、平歯車は歯車のオプションを検討する際の最初の選択肢となります。次に、はすば歯車が製造がより困難で高価になります。最後に、ヘリンボーン歯車は最も複雑で製造コストが高くなります。

しかし、3D プリントの世界では、これら 3 種類の歯車の製造または作成、または 3D プリントはまったく同じで、非常に簡単です。

3D プリンタは、任意の歯の輪郭を簡単に印刷し、層ごとに歯車を形成できます。したがって、この比較では製造コストは考慮されていませんが、各歯車タイプのその他の長所と短所を見てみましょう。

平歯車は、歯車が噛み合ったときの接触面が最も少ないため、最も効率的な歯車タイプです。接触面は直線であり、歯が噛み合うたびに突然発生します。

ただし、この突然の接触は、歯に衝撃荷重を引き起こすため、平歯車の負の側面となります。これはギアの負荷能力と耐久性に影響を与えるだけでなく、騒音や振動も増加します。

一方、はすば歯車はよりスムーズで静かな動作を実現し、耐荷重能力が高く、寿命が長く、高速での使用が可能です。これは、噛み合う歯の間の接触が徐々に起こるためです。

点から始まり、徐々に線になり、点として生きていく。さらに、どの時点においても、平歯車に比べてより多くの接触面が得られます。このデモから、動力伝達には常に 3 つまたは 2 つの歯が関与していることがわかります。一方、平歯車の場合は、2 つまたはある時点で 1 つの歯だけが全負荷を支えます。

ただし、世の中のほとんどのものと同様、はすば歯車のこれらすべての機能には代償が伴います。それは、傾斜した歯による軸力の導入です。

15 ～ 25 度の範囲のねじれ角に応じて、重大な軸力が発生する可能性があり、歯車システムの設計時に考慮する必要があります。このテストから、それがはっきりとわかります。

ギアに半径方向の力を加えると、ギアを所定の位置から移動させようとする軸方向の力が発生します。

この軸力を回避するために、基本的に左右のはすばを備えた 2 つの対向はすば歯車であるヘリンボーン歯車があります。

このようにして発生する軸力は相殺されるため、歯車に軸力が作用することなく、はすば歯車の優れた機能がすべて得られます。しかし、またしても別の欠点があります。それは、ギアシステムの組み立てが難しいことです。平歯車やはすば歯車を使用すると、歯車を所定の位置にスライドさせるだけで、片方が回転していても噛み合いが始まります。

ヘリンボーンギアではそれができません。まずギアを噛み合わせてから、同時にギアをシャフトの所定の位置に取り付けるか、後でシャフトを挿入する必要があります。

歯車の設計

それでも、ここでは 3D プリントされた歯車をテストして、各タイプからどのような結果が得られるかを見てみましょう。

歯車の設計にはOnshapeを使用しました。 Onshape はプロフェッショナル グレードの CAD および PDM システムであり、現在、エンジニアとその会社にプロフェッショナル バージョンを最大 6 か月間無料で提供しています。

「Spur Gear」と呼ばれるカスタム FeatureScript を使用して歯車を簡単に作成できます。歯車のモジュール、歯数、歯車幅、面取りや中心穴の追加を選択できます。また、ヘリカルにするギアを選択し、ヘリカル角度、ギアの向き (左または右) を選択することもできます。

ヘリンボーンギアの場合は、「Double Helix」オプションを選択するだけです。歯車プロファイル全体にオフセットを追加するオプションもあります。これは、3D プリントの場合に非常に役立ちます。

このビデオのすべての歯車を印刷するために、新しい Creality K1C 3D プリンターを使用しました。歯車やその他の寸法を正確にしたいものを 3D プリントするときは、スライス ソフトウェアの水平拡張機能を使用する必要があります。

この機能はフィラメントの膨張を補正するもので、私の場合は -0.15mm の値を使用しましたが、テスト印刷を行って、お使いの 3D プリンタにどの値が適しているかを確認する必要があります。

また、歯車を 3D プリントする場合は、象の足の影響を避けることが特に重要です。それはベッドの水平調整が正しくないときに起こります。最初のレイヤーを印刷するときにノズルがベッドに近すぎるため、材料が圧縮され、パーツの最初の数レイヤーの寸法が正確ではなくなります。

これはギアの性能に直接影響します。これを回避するには、ベッドのレベリングを調整するか、スライサーで Gcode オフセット値を調整する必要があります。もちろん、どの値がプリンターに適しているかを知るために、いくつかのテスト印刷を行う必要があります。私の場合、それは 0.1mm の値だったので、ギアは完璧に外れました。

象の歯の影響を回避する別の方法もあります。それは、部品の下にラフトを入れてギアを印刷することですが、やはり正しい設定を見つけるためにテスト印刷を行う必要があります。正しく調整できない場合は、歯車のエッジを手で面取りすることもできます。

とにかく、この 3D プリンターを提供してくれた Creality に感謝の意を表したいと思います。 Creality K1C は本当に優れた 3D プリンターであり、多くの機能と高速での優れた印刷品質を備えた完全なパッケージです。 Creality USA ストアでチェックしてください。 EUストア;アマゾン。

テスト No.1 – 騒音レベルと効率

さて、それでは歯車がどのように動作するかを見てみましょう。これが最初のテスト設定です。 12V DC モーターに歯数 20 のギアと 2.5 モジュールを取り付けました。  この歯車は同じ歯数の別の歯車を駆動します。ここから、歯車が生成する騒音レベルとその効率という 2 つのことが観察できます。 DC モーターに供給される電圧は各ギア タイプで同じになるため、ギアの動作に必要な電力消費とその効率を追跡できます。

まず、平歯車の騒音レベルは約 77dB で、消費電力は 5.36W ～ 5.61W でした。次に、はすば歯車の騒音レベルは約 75dB、消費電力は 5.61W から 5.85W でした。最後に、ヘリンボーン ギアの騒音レベルは約 74dB、消費電力は 5.61W から 6.1W でした。

したがって、得られた結果は、各ギアの種類について先ほど説明した内容と一致します。平歯車は消費電力が最も少ないため、最も効率的なタイプですが、騒音も最も大きくなります。ヘリカル ギアとヘリンボーン ギアは効率は劣りますが、より静かでした。

テスト No.2 – バックラッシュ

次に、ギアのバックラッシュと強度をテストするために、次の設定を使用します。 1つのギアは4本のボルトで固定され、もう1つのギアは2つのベアリングが取り付けられて回転できるようになります。ギアのモジュールは 2.5 で、すべて同じ設定で 3D プリントされています。 

まず、バックラッシュ、つまり、噛み合う 2 つの平歯車の間にどれだけの遊びやギャップがあるかをテストします。 10cmの距離で両方向に合計約2.5mmの遊びがありました。

次に、はすば歯車がより良い結果を示しました。 10cmで両方向に合計1.5mm程度の遊びがありました。また、ヘリンボーン ギアでは、10cm で両方向に合計約 1.8mm の遊びがありました。

繰り返しになりますが、結果は予想どおりで、平歯車はヘリカル歯車やヘリンボーン歯車に比べてバックラッシュが大きかったです。 

しかし、これらのテストは単純すぎて適切な比較ができないと感じたので、別のテスト設定を作成することにしました。歯車の使用のより一般的なシナリオである、減速比 16:1 の 4 段歯車減速機を作成しました。

テスト番号 3 – 16:1 減速機

そこで、ここでのアイデアは、NEMA 17 ステッピング モーターを使用し、減速比 2:1 の 4 段階で合計 16:1 の減速比を実現するというものでした。駆動ギヤの歯数は 17 で、従動ギヤの歯数は 34 です。歯車のモジュールは 1.5 です。

平歯車減速機は、距離 10cm で出力に約 2.5mm の遊びがありました。もう少し正確に言うと、フォース メーターを使用して各側に特定量の力を加え、その点での変位をキャプチャしました。 5Nの力を参考にしましたので、他の歯車タイプでも同様に使用します。

このようにして、10cmの距離で合計4.4mmのバーの遊びが得られました。これらの測定値をバックラッシュ単位である円弧分で表すには、まず変位角アルファを計算します。簡単な三角法の助けを借りてこれを行うと、角度は約 2.52 度になることがわかります。 1 分角は 1/60 度です。したがって、この平ギアボックスのバックラッシュは約 151 分角になります。 

ヘリカル ギアボックスの総変位は約 5.1 mm、分角に換算すると 175 分になります。 

ヘリンボーン ギアボックスの総変位は約 4.9 mm、つまり約 168 分角のバックラッシュに相当します。 

さて、これらの結果は最初のテストとは逆になりました。ここで、平歯車は他の 2 つのタイプよりも優れたバックラッシュ結果を示しました。つまり、そうなる理由はいくつか説明できます。ギアボックスのシャフトは片側でのみサポートされているため、力が加わるとわずかに変位し、それが結果に影響を与えることがわかります。

もう一つは、ベアリングとギアの間に遊びがあることです。一部の機械部品に完全に適合する部品を 3D プリントするのは実際には困難です。ベアリングにテープを追加して、隙間を締めて遊びを減らしてみました。

それは役に立ちました。ギアはよりタイトになりましたが、各ギアで同じになるという保証はありません。もちろん、ベアリングの穴を小さくして、力を入れてベアリングをギアに挿入することもできますが、それは効率の点でマイナスの影響を与える可能性があります。力を使って 2 つのベアリングを同じ軸上に正確に配置することはできません。そのため、ギアの回転時に大きな抵抗が発生します。

テスト No.4 – 減速機の効率

とにかく、ギアボックスの効率を測定するために、ステッピング モーターの同じ電圧レベルでギアボックスがどのくらいの力またはトルクを生成するかを測定しました。

平歯車を使用すると、最大で約 32N の力が読み取れました。ヘリカルギアボックスの最大力の測定値は 28N、ヘリンボーンギアの場合は 30.4N でした。これらの結果は、平歯車が最も効率的なタイプであることを示していますが、やはり、それらはどれも近すぎます。

3D プリントされたギアのタイプのうち、どれがより強いですか?

次に、ギアの強度をテストするために、フォース メーターを使用してギアに取り付けられたバーを 20 cm の距離で引き下げ、いつギアが壊れるかを確認します。

平歯車は190Nの力、つまり38Nmのトルクで壊れました。これはかなりの量ですが、ギアを詳しく見てみると、歯が原因で破損したのではなく、ギアの内部または充填物が破損したことに気づくことができます。

すべてのギアを同じフィラメントとスライス設定でプリントしたところ、各ギア タイプで同様の結果が得られました。

はすば歯車は 213N の力、つまり 42.6Nm で壊れ、ヘリンボーン歯車は 152N の力、つまり 30.4Nm のトルクで壊れました。 

したがって、より有意義な結果を得て、歯車の種類が実際に歯車の強度にどのような影響を与えるかを調べるためには、歯車の歯を弱くする必要がありました。ギアの強度はギアの幅とモジュールに直接比例します。  そこで、下部モジュール 2、幅 12 mm の新しい歯車を 3D プリントしました。

回転軸からの距離も30cmにしたので、引き下ろしやすくなりました。

ここで、平歯車は 116N の力、つまり 34.8Nm のトルクにより、歯車全体が破損するのではなく、歯の部分で破損しました。

ただし、ここで、固定ギアを固定している 4 本のボルトが力によって少し曲がったため、ギア間の中心距離が少し増加したことがわかります。これにより、荷重が歯の最上部で接触することになり、実際には歯の強度が低下しましたが、他のタイプの歯車でも同じシナリオが適用されるため、結果は同等になるため、問題はありません。

はすば歯車は 112N の力、つまり 34Nm のトルクで破損しました。これは平歯車と非常によく似ています。 

今回のテストでは予想通りヘリンボーンギアが最高の結果を示しました。 120Nの力、つまり36Nmのトルクで壊れました。

したがって、3 種類のギアの強さの差はそれほど大きくありませんが、それでも顕著な差はあります。ヘリンボーンギアは最強と言えます。

とにかく、3 つのギア タイプはすべて、実際には非常に近い結果をもたらしています。それらの間で私が実際に気づくことができた唯一の違いは 16:1 リデューサーであり、それは振動レベルです。

ただし、非常に主観的には、最高速度で回転しているときに出力バーに触れることによってのみこれを判断できました。平歯車の振動レベルは著しく高かった。ヘリカル ギヤとヘリンボーン ギヤの方がはるかにスムーズでした。

評決

したがって、3D プリントに関して最適なギアのタイプについての私の最終的な判断は次のとおりです。平歯車を避け、可能な限りヘリンボーン歯車を使用し、はすば歯車を使用する場合は軸方向の力を受け入れることができるボールベアリングを使用するようにしてください。以上です！

3D プリントされたギアのモジュールは何ですか?

次に、モジュールがギアのパフォーマンスにどのような影響を与えるかを見てみましょう。歯車のモジュールは、歯と歯車自体のサイズを定義します。ここでは、1 から 2.5 までの 5 つの異なるモジュールを備えた歯車を 3D プリントしました。

最初にテストするのは、モジュール 1、歯数 50 の歯車です。これらはすべてヘリンボーン歯車であり、同じ設定で印刷されています。ギアは98.3Nの力、または29.5Nmのトルクで故障しました。両方のギアの歯が折れていました。

次はモジュール 1.25 と 40 歯のギアです。ギア間の中心距離が固定されているテスト装置に合わせて、ギアのサイズが適切に変化するように歯数を変更します。これらのギアは 126N の力、または 37.8Nm のトルクで故障しました。

1.5 歯と 33 歯のモジュールを備えたギアは、108N の力または 32.4Nm のトルクで破損しました。ただし、ここでは固定ギアにかなりの変位があり、圧力が歯の最上部に移動しました。これは、このリグで行っていた以前のテスト、後で説明する材料強度テストでボルトがすでに曲がっていたためです。

このリグはモジュール 1.5 のギアのみに対応しています。このモジュールでは 49.5 mm の中心距離を得ることができ、他のすべてのモジュール (1、1.25、2、2.5) では、歯数を変更することで固定の 50 mm の中心距離を得ることができます。

次に、2 歯と 25 歯のモジュールを備えた歯車は、149N の力、または 44.7Nm のトルクで破損しました。

2.5 歯と 20 歯のモジュールを備えたギアは、121N の力または 36.3Nm のトルクで破損しました。実際、ここでは歯ではなく歯車全体が壊れました。おそらく、この歯車の詰め物が 30% だったからです。 45% の充填材を使用して別の歯車を 3D プリントしましたが、その歯車も 124N の力で同様に失敗しました。

次に、今度は 100% インフィルを使用して、別のものを 3D プリントしました。これで、ギア全体が壊れることはありませんでした。歯の部分で折れましたが、まったく同じ 124N の力で折れました。

それは意味がありませんでした。もっと強力であるべきでしたが、ここでの問題は、このギアに同じ青いフィラメントの古いスプールを使用したことだったと思います。これは、3D プリンターの使用時のフィラメントの古さや湿度に応じて違いが生じる可能性があります。また、PLAフィラメントのブランドごとに強度が異なり、同じブランドでも色が違うと素材の強度が異なります。そこで、今回は Creality Hyper PLA フィラメントを使用して、100% インフィルで別のギアを 3D プリントしました。今度は歯車が 156.4N、つまり 47Nm のトルクで歯の部分で壊れました。

これらのテストを要約すると、モジュールが大きいほど、またはギアの歯が大きいほど、強度が高くなります。つまり、それは明白かつ論理的です。

ギアの幅も同様です。より強力なギアが必要な場合は、ギアの幅を増やすこともできます。

ギアの充填材もギアの強度に貢献します。ギアを 3D プリントする場合は最低 35% の充填、必要に応じて最大 100% の充填をお勧めします。ただし、おそらくより重要な設定は壁のライン数であり、5 以上にすることをお勧めします。

3D プリントされたギアに最も強い素材は何ですか?

最後に、3D プリントギアに最も強い素材は何かを見てみましょう。このテストでは、モジュール 1.5 の平歯車を使用します。

最初に PLA フィラメントをテストします。歯車は 116.9N、つまり 35Nm の力で壊れました。

次のギアセットは、Creality の PLA カーボンファイバー フィラメントでプリントされています。これらのギアは 111N で故障しました。

次にABSフィラメントです。こちらは約90Nの力で壊れました。しかし、それは人民解放軍に比べてより緩やかに起こった。 ABS は破損する前にある程度の曲げや変形に耐えることができるため、場合によっては優れた機能となります。

その後、ASA フィラメント ギアは 120.9N の力で破損しました。 ASA は PLA と ABS を組み合わせたもののように動作し、PLA と同等の強度、さらには 4N より強い強度を持っていましたが、それでも ABS のように壊れる前に多少の曲がりや変形がありました。

次に、PETG フィラメント ギアが 87.2N の力で破損しました。これも壊れる前に少し変形していました。

最後に歯車をナイロンやPAで印刷してみました。このマテリアルは印刷が最も困難ですが、Creality K1C はなんとか印刷しました。

しかし、結果は本当にベッドでした。ギアは 66N の力で壊れましたが、それが適切なナイロン フィラメントの本当の強度ではないと思います。これは1年ほど前にどこからかわからないところから購入したものですが、かなりひどいものでした。

全体として、このテストから得られた結果は非常に正確で、Simplyfy3D のフィラメント プロパティ テーブルと一致していました。

PLA ギアは強度が最も優れているだけでなく、剛性も最も優れています。一方、ASA ギアは PLA と同じ強度を示しますが、ABS と同様に剛性が低くなります。

耐久性

次に、材料の耐久性についてですが、16:1 減速機設定で耐久性テストを行い、3D プリントされたギアとしてどの材料が最も耐久性があるかを確認したかったのですが、実行できませんでした。

テストを開始しましたが、ギアは驚くほど良好で、出力バーに大きな負荷がかかっても、1 時間ほど回転させた後でもテストに失敗することはありませんでした。テストの騒音が大きすぎたので、現在のスタジオまたはワークショップではこのテストを適切に、または十分な時間実施することができませんでした。

いずれにせよ、今後はこの耐久性テストを試み、その結果をこのビデオの説明と Web サイトの記事で共有する予定です。

現時点では、上記の表は私のテストと一致しているため、参考として使用できます。説明にもリンクを貼ります。

このチュートリアルを楽しんでいただき、何か新しいことを学んでいただければ幸いです。