3D-printen van tandwielen meesteren: expert tips en complete gids

In deze leerzaamheid leren we alles over 3D-printen van tandwielen: tips en tricks die ik opgedaan heb door veel tandwielen te printen en tientallen tests uit te voeren.

Je kunt de video bekijken of de handleiding hieronder lezen.

We behandelen welk tandwieltype het best past bij 3D-printen: tandwiel, helisch of haaringbeentandwiel – qua kracht, efficiëntie en terugslag. Hoe de module de prestaties beïnvloedt, hoe vulpercentage de kracht beïnvloedt en wat het beste materiaal is. Ik test zes materialen: PLA, PLA-CF, ABS, PETG, ASA en Nylon. We zien welk het sterkst is door destructieve krachttests.

Tandwiel vs Helisch vs Haaringbeentandwiel

Tandwielen zijn het simpelste type, met rechte tanden parallel aan de as. Helische tandwielen hebben tanden onder een hoek. Haaringbeentandwielen combineren twee tegengestelde helische tandwielen met rechter en linker helix.

In de industrie zijn tandwielen eerste keuze (makkelijkst/goedkoopst te produceren), dan helische, en haaringbeen is het complexst/duurst. Maar bij 3D-printen is het produceren van alle drie typen even simpel. Productiekosten vallen dus weg; we kijken naar voor- en nadelen.

Tandwielen zijn meest efficiënt: minste contactoppervlak, rechte lijn, plotselinge ingriep. Maar deze plotselinge contact veroorzaakt impactsbelasting op de tanden, wat belasting, duurzaamheid en lawaai/trillingen beïnvloedt.

Helische tandwielen draaien soepeler en stilere, hebben betere belastbaarheid, langere levensduur en hogere snelheden. Contact bouwt geleidelijk op: punt → lijn → punt. Ook hebben ze meer contactoppervlak; 2-3 tanden dragen de last, bij tandwielen soms maar 1 tand.

Maar helische tandwielen introduceren axiale kracht door de schuine tanden. Afhankelijk van helixhoek (15-25°) kan er significante axiale kracht ontstaan die in het ontwerp meegenomen moet worden. We zien dit duidelijk in de test: radiale kracht op het wiel veroorzaakt axiale kracht die het wiel uit positie probeert te duwen.

Haaringbeentandwiel lost dit op: twee tegengestelde helische tandwielen heffen axiale krachten op. Alle voordelen van helisch, geen axiale kracht. Maar nadeel: moeilijkere montage. Tandwielen en helische schuif je in plaats; haaringbeen moet je eerst ingrieken en dan op de assen plaatsen of assen daarna invoegen.

Tandwielen ontwerpen

Nu testen we de 3D-geprinte tandwielen. Voor ontwerp gebruik ik Onshape (sponsor). Onshape is een professioneel cloud-CAD/PDM-systeem, nu tot 6 maanden gratis pro voor ingenieurs/bedrijven.

Met de custom FeatureScript "Spur Gear" maken we eenvoudig tandwielen: module, aantal tanden, breedte, affasering, middengat. Ook helisch kiezen met helixhoek en orientatie (links/rechts). Voor haaringbeen: "Double Helix" optie. Er is ook een offset-optie voor het hele tandprofiel, handig voor 3D-printen.

Ik gebruikte de Creality K1C voor alle tandwielen. Voor dimensionaal accurate prints is Horizontal Expansion in de slicer cruciaal. Ik gebruikte -0,15 mm, maar doe testprints voor jouw printer.

Ook het "Elephant foot"-effect vermijden: nozzle te dicht bij bed bij eerste laag comprimeert materiaal, eerste lagen niet accuraat. Dit beïnvloedt tandwielprestaties direct. Oplossing: bed leveling aanpassen, of in slicer G-code offset instellen. Ik gebruikte 0,1 mm offset. Alternatief: print met raft, of chamfer handmatig na printen.

Shout-out aan Creality voor de K1C: geweldige printer, complete pakket, hoge kwaliteit bij hoge snelheden. Te koop bij: Creality USA store ; EU store ; Amazon.

Test 1 – Lawaai en Efficiëntie

Testopstelling: 12V DC-motor met 20-tands tandwiel (module 2,5) drijft identiek wiel aan. We meten lawaai en stroomverbruik (efficiëntie) bij gelijke spanning.

• Tandwielen: ~77 dB, stroom 5,36-5,61 W
• Helische: ~75 dB, stroom 5,61-5,85 W
• Haaringbeen: ~74 dB, stroom 5,61-6,1 W

Resultaten matchen theorie: tandwielen meest efficiënt (minst stroom), maar hardst. Helisch en haaringbeen minder efficiënt, maar stilere.

Test 2 – Terugslag

Opstelling voor terugslag en kracht: één wiel vast (4 bouten), ander draaibaar met twee lagers. Alle tandwielen module 2,5, zelfde instellingen.

• Tandwielen: totaal spel ~2,5 mm op 10 cm (beide richtingen)
• Helische: ~1,5 mm op 10 cm
• Haaringbeen: ~1,8 mm op 10 cm

Verwacht: tandwielen meer terugslag. Maar tests leken te simpel, dus maakte ik een betere opstelling.

Test 3 – 16:1 Vertrager

NEMA 17 stappenmotor, vier traps 2:1 = 16:1 totaal. Drijvende wielen 17 tanden, gedreven 34 tanden. Module 1,5.

Tandwielvertrager: vrije spel ~2,5 mm op uitvoer op 10 cm. Preciezer: met krachtmeter 5 N referentiekracht, totale verplaatsing staaf 4,4 mm op 10 cm. Hoek α ≈ 2,52° → ~151 boogminuten terugslag.

Helische vertrager: ~5,1 mm verplaatsing → ~175 boogminuten.

Haaringbeen vertrager: ~4,9 mm → ~168 boogminuten.

Resultaten nu omgekeerd: tandwielen beter dan de andere twee. Mogelijke redenen: assen hebben kleine verplaatsing (éénzijdig ondersteund), spel tussen lagers en wielen. 3D-geprinte gaten passen niet perfect op lagers. Ik probeerde tape op lagers voor strakkere fit – hielp, maar niet gegarandeerd gelijk voor elk wiel. Gaten kleiner printen en lagers inpersen kan, maar dan zitten lagers niet perfect op één as → meer wrijving.

Test 4 – Vertrager Efficiëntie

Koppelmeting bij gelijke motorspanning:

• Tandwielen: max ~32 N kracht
• Helische: max ~28 N
• Haaringbeen: max ~30,4 N

Tandwielen meest efficiënt, maar allemaal dichtbij elkaar.

Welk 3D-geprint tandwieltype is het sterkst?

Krachttest: krachtmeter trekt staaf op 20 cm van as af tot tandwiel breekt.

• Tandwiel brak bij 190 N (38 Nm). Mislukte niet aan tand, maar aan infill/binnenkant.
• Helisch: 213 N (42,6 Nm)
• Haaringbeen: 152 N (30,4 Nm)

Alle tandwielen zelfde filament/instellingen → vergelijkbare resultaten. Om betekenisvolle verschillen te zien, maak ik tandwielen zwakker: module 2, breedte 12 mm, hefboom 30 cm.

• Tandwiel faalde aan tanden bij 116 N (34,8 Nm). Vaste wiel bouten buigden iets → lastcontact bovenaan tanden → kracht verminderd, maar zelfde voor alle typen.
• Helisch: 112 N (34 Nm) – vergelijkbaar.
• Haaringbeen: 120 N (36 Nm) – beste resultaat.

Verschil in kracht tussen typen niet enorm, maar merkbaar. Haaringbeen is sterkst.

Alle drie typen liggen dichtbij. Enig echte verschil in 16:1 vertrager: trillingsniveau. Subjectief aan voelen van uitvoerstaf bij max snelheid: tandwielen aanzienlijk meer trillingen. Helisch en haaringbeen veel soepeler.

Oordeel

Mijn advies: vermijd tandwielen, gebruik haaringbeentandwielen waar mogelijk, en pas kogellagers toe die axiale krachten opvangen bij helische tandwielen. Dat is het!

Welke module voor 3D-geprinte tandwielen?

Module definieert tandgrootte en wielgrootte. Getest met 5 modules: 1 tot 2,5. Alle haaringbeentandwielen, zelfde instellingen.

• Module 1, 50 tanden: brak bij 98,3 N (29,5 Nm). Gebroken tanden aan beide wielen.
• Module 1,25, 40 tanden: 126 N (37,8 Nm)
• Module 1,5, 33 tanden: 108 N (32,4 Nm). Vaste wiel verplaatsd, druk op tandtoppen (bouten al gebogen van eerdere tests). Deze rig werkt alleen voor module 1,5 (centrumafstand 49,5 mm); andere modules krijg ik 50 mm door tandenaantal aan te passen.
• Module 2, 25 tanden: 149 N (44,7 Nm)
• Module 2,5, 20 tanden: 121 N (36,3 Nm). Heel wiel brak (infill 30%). Opnieuw met 45% infill: 124 N. Met 100% infill: nog steeds 124 N (oude spoel filament?). Met Creality Hyper PLA 100% infill: 156,4 N (47 Nm).

Conclusie: grotere module = sterker. Dito voor breedte. Infill bijdraagt: minimum 35%, tot 100% indien nodig. Belangrijker: wandlijnenaantal (wall line count) – aanbevolen 5 of meer.

Welk materiaal is het sterkst voor 3D-geprinte tandwielen?

Test met tandwielen module 1,5.

• PLA: brak bij 116,9 N (35 Nm)
• PLA-CF (Creality): 111 N
• ABS: ~90 N, meer geleidelijk (buigt voordat het breekt – goed voor sommige gevallen)
• ASA: 120,9 N. Gedraagt als combinatie PLA/ABS: even sterk als PLA, maar met lichte vervorming voor breuk als ABS.
• PETG: 87,2 N, ook lichte vervorming.
• Nylon (PA): 66 N. Maar dit was oude, slechte kwaliteit filament. Echt Nylon is sterker.

Resultaten matchen Simplify3D Filament Properties Table. PLA: hoogste kracht en stijfheid. ASA: zelfde kracht als PLA, lagere stijfheid (zoals ABS).

Duurzaamheid

Wild duurzaamheidstest met 16:1 vertrager doen, maar niet gelukt. Tandwielen bleken verrassend goed, faalden niet na ~1 uur draaien met zware belasting. Test te luid, werkplaats liet niet toe. In toekomst wel doen, resultaten deel ik in videobeschrijving en artikel. Voor nu: bovenstaande tabel als referentie.

Hopelijk heb je iets nieuws geleerd!