3D 打印齒輪：如何制作

魔猴君  知識堂   386天前

齒輪是機(jī)械組件中傳遞運(yùn)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(jì)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(xiàng)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(shí)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(yùn)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(jī)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(dāng)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(jī)械相互作用的一個例子。

1、準(zhǔn)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(qiáng)烈建議進(jìn)行一些規(guī)劃和測試。

首先，您需要明確自己的目標(biāo)。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(jī)

了解 3D 打印機(jī)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(diǎn)。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(jìn)行后期加工。

關(guān)于這一點(diǎn)，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(yàn)法則來定義，寬度與齒輪強(qiáng)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(jī)中，因此該接口在傳遞運(yùn)動中起著重要作用，并且很可能成為設(shè)計中的故障點(diǎn)。

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(yùn)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(xì)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(diǎn)上。只有使用由圓的漸開線構(gòu)成的特定齒形才能實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，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(xiàng)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(fù)載（來源：Maker's Muse via YouTube）

3D 打印齒輪永遠(yuǎn)不會像注塑成型或機(jī)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(qiáng)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(shí)上，Maker's Muse YouTube 頻道的 Angus 測試了幾種材料的齒輪強(qiáng)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(shí)體化了。下面是一些有關(guān) 3D 打印的注意事項(xiàng)：

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(shí)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(diǎn)、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(jī)設(shè)置：選擇有利于零件強(qiáng)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 打印齒輪非常可行，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(jī)械部件。

編譯整理：ALL3DP