Beheers 3D-printuitrusting:tips van experts en complete gids

In deze tutorial leren we alles wat we moeten weten over tandwielen voor 3D-printen, tips en trucs die ik heb verkregen door een flink aantal tandwielen te 3D-printen en er tientallen tests mee te doen.

Je kunt de volgende video bekijken of de schriftelijke tutorial hieronder lezen.

We bespreken welk type tandwiel het meest geschikt is voor 3D-printen, rechte tandwielen, spiraalvormige tandwielen of visgraattandwielen in termen van sterkte, efficiëntie en speling.

Hoe de module van het tandwiel de prestaties beïnvloedt, hoe de vulling van de print de sterkte van het tandwiel beïnvloedt en welk materiaal het beste is voor 3D-geprinte tandwielen.

Ik heb zes verschillende materialen aan de tests onderworpen:PLA, PLA-CF, ABS, PETG, ASA en Nylon. We zullen zien welke de sterkste is, door sterktetests uit te voeren tot mislukking.

Spur versus spiraalvormig versus visgraattandwielen

Oké, laten we eerst de verschillende soorten tandwielen vergelijken:rechte tandwielen, spiraalvormige tandwielen en visgraattandwielen.

Rechte tandwielen zijn het eenvoudigste type tandwielen, met rechte tanden die parallel aan de as van het tandwiel zijn gemonteerd. De tanden van spiraalvormige tandwielen staan ​​daarentegen onder een hoek ten opzichte van de as van het tandwiel. Visgraattandwielen zijn een combinatie van twee tegenover elkaar liggende spiraalvormige tandwielen met een rechter- en linkerhelix.

In de echte wereld of in de industrie zijn rechte tandwielen meestal de eerste keuze bij het verkennen van de tandwieloptie, omdat ze het gemakkelijkst en goedkoopste te vervaardigen zijn. Dan komen de spiraalvormige tandwielen omdat ze moeilijker en duurder te vervaardigen zijn. En ten slotte zijn de visgraattandwielen het meest complex en duur om te vervaardigen.

In de wereld van 3D-printen, produceren of maken van 3D-printen is elk van deze drie soorten tandwielen echter precies hetzelfde en zo eenvoudig als maar kan.

Een 3D-printer kan eenvoudig elk tandprofiel printen en laag voor laag het tandwiel vormen. Bij deze vergelijking wordt dus geen rekening gehouden met de productiekosten, maar laten we eens kijken naar de andere voor- en nadelen van elk tandwieltype.

Rechte tandwielen zijn het meest efficiënte tandwieltype omdat ze het minste contactoppervlak hebben wanneer de versnellingen zijn ingeschakeld. Het contactoppervlak is een rechte lijn en ontstaat plotseling bij elke tandaangrijping.

Dit plotselinge contact is echter de negatieve kant van de tandwielen, omdat het impactbelasting op de tanden veroorzaakt. Dat heeft invloed op het belastingsvermogen en de duurzaamheid van de tandwielen, en resulteert ook in meer geluid en trillingen.

Aan de andere kant zorgen spiraalvormige tandwielen voor een soepelere en stillere werking, hebben ze een beter draagvermogen, een langere levensduur en kunnen ze bij hogere snelheden worden gebruikt. Dat komt omdat het contact tussen de in elkaar grijpende tanden geleidelijk plaatsvindt.

Het begint als een punt, wordt geleidelijk een lijn en leeft dan als een punt. Bovendien hebben ze op elk punt meer contactoppervlak dan rechte tandwielen. Uit deze demo kunnen we opmaken dat er altijd drie of twee tanden betrokken zijn bij de krachtoverbrenging, terwijl bij rechte tandwielen twee of op een gegeven moment slechts één tand de hele last draagt.

Maar zoals de meeste dingen in het leven hebben al deze kenmerken van de spiraalvormige tandwielen een prijs, en dat is de introductie van axiale kracht als gevolg van schuine tanden.

Afhankelijk van de spiraalhoek, die varieert van 15 tot 25 graden, kan er een aanzienlijke axiale kracht optreden waarmee rekening moet worden gehouden bij het ontwerpen van het tandwielsysteem. Dat merken we duidelijk aan deze test.

Terwijl ik radiale kracht op het tandwiel uitoefen, ontstaat er een axiale kracht die de neiging heeft het tandwiel van zijn plaats te bewegen.

Om deze axiale kracht te vermijden, is er het visgraattandwiel, dat in feite bestaat uit twee tegenover elkaar liggende spiraalvormige tandwielen met een linker- en rechterhelix.

Op deze manier worden de optredende axiale krachten opgeheven, en dus beschikken we over alle geweldige eigenschappen van de spiraalvormige tandwielen zonder dat er enige axiale kracht op de tandwielen inwerkt. Maar aan de andere kant krijgen we nog een nadeel, en dat is de moeilijkheid bij het monteren van het tandwielsysteem. Met rechte en spiraalvormige tandwielen kunnen we de tandwielen eenvoudig op hun plaats schuiven en ze beginnen in elkaar te grijpen, zelfs als een ervan draait.

Met visgraattandwielen kunnen we dat niet doen. We moeten eerst de tandwielen in elkaar grijpen en ze dan tegelijkertijd op de assen plaatsen of daarna de assen erin plaatsen.

Versnellingen ontwerpen

Laten we desalniettemin nu de 3D-geprinte tandwielen op de proef stellen en kijken welke resultaten we met elk type zullen behalen.

Voor het ontwerpen van de tandwielen heb ik Onshape gebruikt. Onshape is een CAD- en PDM-systeem van professionele kwaliteit en biedt ingenieurs en hun bedrijven nu tot 6 maanden gratis de professionele versie aan.

We kunnen eenvoudig tandwielen maken met het aangepaste FeatureScript genaamd “Spur Gear”. We kunnen de module van het tandwiel, het aantal tanden, de tandwielbreedte kiezen, afschuining en middenboring toevoegen. We kunnen er ook voor kiezen dat het tandwiel spiraalvormig is en de Helix-hoek kiezen, en welke richting het tandwiel zal hebben, links of rechts.

Voor een visgraatuitrusting hoeven we alleen maar de optie "Double Helix" te selecteren. Er is ook een optie om offset toe te voegen aan het hele tandwielprofiel, wat erg handig is als het gaat om 3D-printen.

Ik heb mijn nieuwe Creality K1C 3D-printer gebruikt voor het afdrukken van alle tandwielen voor deze video. Bij het 3D-printen van tandwielen of iets anders waarvan we de afmetingen nauwkeurig willen hebben, moeten we de functie Horizontale expansie in onze slicingsoftware gebruiken.

Deze functie compenseert de uitzetting van het filament en in mijn geval heb ik een waarde van -0,15 mm gebruikt, maar u moet een aantal testprints maken om te zien welke waarde bij uw 3D-printer past.

Ook bij het 3D-printen is het bijzonder belangrijk om het Olifantvoeteffect te vermijden. Dat gebeurt als het bed waterpas staat dus niet goed. De spuitmond bevindt zich te dicht bij het bed bij het printen van de eerste laag, waardoor het materiaal wordt samengedrukt en de eerste paar lagen van het onderdeel niet maatnauwkeurig zijn.

Dit heeft rechtstreeks invloed op de prestaties van de versnellingen. Om dit te voorkomen, moeten we de bednivellering aanpassen, of in de slicer de Gcode-offsetwaarde aanpassen. Uiteraard moeten we enkele testafdrukken maken om erachter te komen welke waarde bij onze printer past. In mijn geval was dat een waarde van 0,1 mm, en dus kwamen de tandwielen perfect uit.

Er is ook een andere manier om de Olifanttand-effecten te vermijden, en dat is door de tandwielen af te drukken met een vlot onder het onderdeel, maar ook hier moet je proefafdrukken maken om de juiste instellingen te achterhalen. Als u ze niet goed kunt krijgen, kunt u de randen van het tandwiel ook met de hand afschuinen.

Hoe dan ook, ik wil Creality graag een compliment geven voor het feit dat ze mij deze 3D-printer hebben geleverd. De Creality K1C is echt een geweldige 3D-printer, een compleet pakket met veel functies en geweldige printkwaliteit bij hoge snelheden. Bekijk het eens in:Creality USA winkel; EU-winkel; Amazon.

Test nr.1 – Geluidsniveau en efficiëntie

Oké, laten we nu eens kijken hoe de versnellingen presteerden. Dit is de eerste proefopstelling. Ik heb een 12V DC-motor waarop ik een tandwiel met 20 tanden en een module van 2,5 heb bevestigd.  Dit tandwiel zal een ander tandwiel met hetzelfde aantal tanden aandrijven, en vanaf hier kunnen we twee dingen waarnemen:het geluidsniveau dat de tandwielen zullen produceren en de efficiëntie ervan. De spanning die aan de DC-motor wordt geleverd, zal voor elk tandwieltype hetzelfde zijn. Zo kunnen we het stroomverbruik volgen dat nodig is om de tandwielen te laten werken en zo hun efficiëntie.

Ten eerste produceerden de tandwielen een geluidsniveau van ongeveer 77 dB, en het stroomverbruik bedroeg 5,36 W tot 5,61 W. Vervolgens bedroegen de geluidsniveaus van de spiraalvormige tandwielen ongeveer 75 dB en het stroomverbruik van 5,61 W tot 5,85 W. Ten slotte bedroeg het geluidsniveau van de visgraattandwielen ongeveer 74 dB en het stroomverbruik van 5,61 W naar 6,1 W.

De resultaten die we kregen komen dus overeen met wat we eerder over elk versnellingstype hadden besproken. De rechte tandwielen gebruikten het minste vermogen, wat betekent dat ze het meest efficiënte type zijn, maar ook het luidst. De spiraalvormige en visgraatversnellingen waren minder efficiënt, maar stiller.

Test nr.2 – Speling

Voor het testen van de speling en sterkte van de tandwielen zullen we vervolgens de volgende opstelling gebruiken. Het ene tandwiel wordt vastgezet met 4 bouten en het andere kan draaien met twee lagers eraan. De tandwielen hebben een module van 2,5 en zijn allemaal 3D-geprint met dezelfde instellingen. 

Eerst test ik de speling of hoeveel speling of opening er is tussen de twee in elkaar grijpende tandwielen. Er was een totale speling in beide richtingen van ongeveer 2,5 mm op een afstand van 10 cm.

Vervolgens lieten de spiraalvormige tandwielen betere resultaten zien. Er was een totale speling in beide richtingen van ongeveer 1,5 mm op 10 cm. En bij de visgraat tandwielen was er een totale speling in beide richtingen van ongeveer 1,8 mm op 10 cm.

Nogmaals, de resultaten waren zoals verwacht, de tandwielen hadden een grotere speling vergeleken met de spiraalvormige en visgraattandwielen. 

Omdat ik deze tests echter te simpel vond om een goede vergelijking te kunnen maken, besloot ik een andere testopstelling te maken. Ik heb een viertraps tandwielreductor gemaakt, met een reductieverhouding van 16:1, een gebruikelijker scenario voor het gebruik van tandwielen.

Test nr.3 – 16:1 snelheidsreductiemiddel

Het idee hier was dus om een NEMA 17 stappenmotor te gebruiken en in vier fasen met een reductieverhouding van 2:1 een totaal van 16:1 reductieverhouding te maken. De aandrijftandwielen hebben 17 tanden en de aangedreven tandwielen 34 tanden. De module van de versnellingen is 1,5.

De tandwielreductor had een vrije speling van ongeveer 2,5 mm op de uitgang op een afstand van 10 cm. Of om iets preciezer te zijn:ik gebruikte de krachtmeter om aan elke kant een bepaalde hoeveelheid kracht uit te oefenen en de verplaatsing op dat punt vast te leggen. Ik heb een kracht van 5N als referentie genomen, en ik zal deze ook voor de andere typen versnellingen gebruiken.

Op deze manier kreeg ik een totale speling op de balk van 4,4 mm op een afstand van 10 cm. Om deze metingen uit te drukken in de eenheid voor speling, boogminuten, kunnen we eerst de verplaatsingshoek, alpha, berekenen. We doen dat met behulp van een eenvoudige trigonometrie, en de hoek komt uit op ongeveer 2,52 graden. Eén boogminuut is 1/60ste graad. De speling van deze tandwielkast bedraagt ​​dus ongeveer 151 boogminuten. 

De spiraalvormige versnellingsbak had een totale verplaatsing van ongeveer 5,1 mm, of vertaald in boogminuten, dat is 175 boogminuten. 

De visgraatversnellingsbak had een totale cilinderinhoud van ongeveer 4,9 mm, of dat is ongeveer 168 boogminuten speling. 

Nu kwamen deze resultaten tegengesteld uit aan de eerste tests. Hier vertoonden de rechte tandwielen betere spelingsresultaten dan de andere twee typen. Ik bedoel, ik kan een paar redenen noemen waarom dat zo is. We kunnen zien dat de assen van de versnellingsbak een kleine verplaatsing ondergaan als er kracht op wordt uitgeoefend, omdat ze slechts aan één kant worden ondersteund, en dat heeft invloed op de resultaten.

Iets anders is dat er wat speling zit tussen de lagers en de tandwielen. Het is eigenlijk moeilijk om onderdelen in 3D te printen die perfect bij sommige mechanische onderdelen passen. Ik heb geprobeerd wat tape op de lagers te plakken om de opening strakker te maken en de speling te verminderen.

Het hielp; de versnellingen zijn strakker geworden, maar er is geen garantie dat ze voor elke versnelling hetzelfde zullen zijn. We kunnen natuurlijk de gaten voor de lagers kleiner maken en het lager dan met enige kracht in het tandwiel steken, maar dat kan een negatief effect hebben op de efficiëntie. Het is onmogelijk om de twee lagers precies op dezelfde as te plaatsen door kracht te gebruiken, en dat zal meer weerstand veroorzaken als het tandwiel draait.

Test nr.4 – Efficiëntie van de reducer

Hoe dan ook, voor het meten van de efficiëntie van de versnellingsbak heb ik gemeten hoeveel kracht of koppel de versnellingsbak zal produceren bij hetzelfde spanningsniveau van de stappenmotor.

Met de rechte tandwielen kreeg ik een maximale waarde van ongeveer 32N kracht. De maximale krachtwaarde van de spiraalvormige versnellingsbak was 28 N, en voor de visgraattandwielen een kracht van 30,4 N. Uit deze resultaten blijkt dat de rechte tandwielen het meest efficiënte type zijn, maar nogmaals, ze liggen allemaal te dichtbij.

Welk 3D-geprint uitrustingstype is sterker?

Om vervolgens de sterkte van de versnellingen te testen, gebruik ik mijn krachtmeter om een staaf die aan de versnelling is bevestigd op een afstand van 20 cm naar beneden te trekken en te kijken wanneer de versnelling zal breken.

Het tandwiel brak bij een kracht van 190 Nm, oftewel 38 Nm koppel. Dat is best veel, maar als we het tandwiel van dichterbij bekijken, kunnen we opmerken dat het niet is mislukt vanwege de tand, maar dat de binnenkant of de vulling van het tandwiel het heeft begeven.

Omdat ik elk tandwiel met dezelfde filament- en slice-instellingen printte, kreeg ik vergelijkbare resultaten voor elk tandwieltype.

Het spiraalvormige tandwiel brak bij een kracht van 213 N, of 42,6 Nm, en het visgraattandwiel bij een kracht van 152 N, of een koppel van 30,4 Nm. 

Dus om betekenisvollere resultaten te krijgen en erachter te komen hoe het tandwieltype de sterkte van het tandwiel beïnvloedt, moest ik de tanden van de tandwielen zwakker maken. De sterkte van het tandwiel is recht evenredig met de breedte en de module van het tandwiel.  Dus heb ik nieuwe tandwielen in 3D geprint met een onderste module van 2 en een breedte van 12 mm.

Ik heb ook de afstand van de rotatie-as vergroot naar 30 cm, zodat ik gemakkelijker naar beneden kan trekken.

Nu begaf het tandwiel het bij de tanden, in plaats van het hele tandwiel kapot te maken, bij een kracht van 116 N, of een koppel van 34,8 Nm.

We kunnen hier echter opmerken dat de vier bouten die het vaste tandwiel vasthouden, een beetje verbuigen onder de kracht, waardoor de centrale afstand tussen de tandwielen een beetje groter wordt. Dit zorgde ervoor dat het belastingscontact zich helemaal bovenaan de tanden bevond, waardoor de sterkte van de tanden feitelijk afnam, maar dat is oké, aangezien hetzelfde scenario zal gelden voor de andere tandwieltypen, en de resultaten dus vergelijkbaar zullen zijn.

Het spiraalvormige tandwiel faalde bij een kracht van 112 N, of een koppel van 34 Nm, wat vrij gelijkaardig is aan het tandwiel. 

De visgraatuitrusting liet, zoals verwacht, het beste resultaat zien in deze test. Hij faalde bij een kracht van 120 N, oftewel een koppel van 36 Nm.

Het krachtverschil tussen de drie soorten versnellingen is dus niet zo groot, maar toch merkbaar. We kunnen zeggen dat de visgraatuitrusting de sterkste is.

Hoe dan ook, alle drie de versnellingstypen liggen eigenlijk behoorlijk dicht bij de resultaten. Het enige verschil dat ik echt tussen hen kon opmerken, was het 16:1-reductiemiddel, en dat is het trillingsniveau.

Hoewel ik dit, heel subjectief, alleen kon zien door de uitvoerbalk aan te raken terwijl ik op maximale snelheid draaide. De rechte tandwielen hadden een aanzienlijk hoger trillingsniveau. De spiraalvormige en visgraatversnellingen waren veel soepeler.

Voordeel

Dus mijn uiteindelijke oordeel over wat het beste type uitrusting is als het gaat om 3D-printen is als volgt. Probeer rechte tandwielen te vermijden, gebruik waar mogelijk visgraattandwielen en gebruik kogellagers die axiale krachten kunnen opnemen bij gebruik van spiraalvormige tandwielen. Dat is alles!

Welke module voor 3D-geprinte tandwielen?

Laten we nu eens kijken hoe de module de prestaties van de versnelling beïnvloedt. De module van het tandwiel definieert de grootte van de tanden en het tandwiel zelf. Hier heb ik 3D-versnellingen geprint met vijf verschillende modules, van 1 tot 2.5.

Als eerste worden de tandwielen met module 1 en 50 tanden getest. Het zijn allemaal visgraattandwielen en bedrukt met dezelfde instellingen. De versnellingen faalden bij een kracht van 98,3 Nm, of een koppel van 29,5 Nm. Er waren gebroken tanden op beide versnellingen.

Hierna volgen de tandwielen met module van 1,25 en 40 tanden. Ik verander het aantal tanden zodat de grootte van het tandwiel op de juiste manier verandert, zodat het past bij de testopstelling met een vaste centrale afstand tussen de tandwielen. Deze versnellingen faalden bij een kracht van 126 N, of een koppel van 37,8 Nm.

De tandwielen met een module van 1,5 en 33 tanden faalden bij een kracht van 108 N, of een koppel van 32,4 Nm. Er was hier echter nogal wat verplaatsing op het vaste tandwiel, en de druk werd naar de top van de tanden verplaatst. Dat komt omdat de bouten al verbogen waren tijdens de eerdere tests die ik op deze opstelling deed, de materiaalsterktetests die we later zullen zien.

Deze opstelling is alleen bedoeld voor de tandwielen met module 1,5, omdat ik met deze module een centrale afstand van 49,5 mm kon krijgen, en met alle andere modules, 1, 1,25, 2 en 2,5, een centrale afstand van 50 mm kon krijgen door het veranderen van het aantal tanden.

Vervolgens braken de tandwielen met een module van 2 en 25 tanden met een kracht van 149 N, of een koppel van 44,7 Nm.

De tandwielen met een module van 2,5 en 20 tanden faalden bij een kracht van 121 N of een koppel van 36,3 Nm. Eigenlijk brak hier het hele tandwiel in plaats van de tanden, omdat, denk ik, de vulling van dit tandwiel voor 30% was. Ik heb nog een tandwiel met 45% vulling in 3D geprint, maar dat exemplaar faalde op soortgelijke wijze, met een kracht van 124N.

Daarna heb ik er nog een 3D-geprint, dit keer met 100% infill. Nu brak niet de hele uitrusting. Het brak bij de tanden, maar met exact dezelfde kracht van 124N.

Dat klopte niet, het had sterker moeten zijn, maar het probleem hier was volgens mij dat ik voor deze uitrusting een oudere spoel van hetzelfde blauwe filament gebruikte. Dat kan een verschil maken, afhankelijk van hoe oud of vochtig het filament was bij de 3D-printer. Bovendien heeft elk merk PLA-filament een andere sterkte, en zelfs hetzelfde merk maar een andere kleur maakt een verschil in de sterkte van het materiaal. Daarom heb ik nog een tandwiel met 100% infill 3D geprint, dit keer met het Creality Hyper PLA-filament. Nu brak het tandwiel bij de tanden en met een kracht van 156,4 N, oftewel een koppel van 47 Nm.

Om deze tests samen te vatten:hoe groter de module of de tanden van de tandwielen, hoe sterker ze zijn. Ik bedoel, dat is duidelijk en logisch.

Hetzelfde geldt voor de breedte van het tandwiel. Als we sterkere uitrusting willen, kunnen we ook de breedte van de uitrusting vergroten.

Ook de vulling van het tandwiel draagt bij aan de sterkte van het tandwiel. Ik raad een minimum van 35% infill aan bij 3D-printen, en tot 100% infill indien nodig. Maar de belangrijkste instelling is waarschijnlijk het aantal muurlijnen, dat ik aanraad op 5 of meer.

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

Laten we ten slotte eens kijken welk materiaal het sterkste is voor 3D-printuitrusting. Voor deze test gebruik ik rechte tandwielen met module 1,5.

Als eerste wordt PLA-filament getest. De tandwielen braken bij een kracht van 116,9 N, oftewel 35 Nm.

De volgende uitrustingsset is gedrukt in PLA-Carbon-Fiber-filament van Creality. Deze versnellingen faalden 111N.

Het volgende is ABS-filament. Deze faalde met een kracht van ongeveer 90N. Het gebeurde echter geleidelijker vergeleken met PLA. Het ABS is bestand tegen enige buiging of vervorming voordat het breekt, wat in sommige gevallen een goede eigenschap is.

Vervolgens braken de ASA-filamenttandwielen met een kracht van 120,9 N. De ASA gedroeg zich als een combinatie van PLA en ABS, ze waren net zo sterk als de PLA, zelfs 4N sterker, maar vertoonden nog steeds een klein beetje buiging of vervorming voordat ze braken zoals de ABS.

Vervolgens faalden de tandwielen van PETG-filament bij een kracht van 87,2 N. Deze vertoonde ook een klein beetje vervorming voordat hij brak.

Ten slotte heb ik geprobeerd de tandwielen te printen met nylon of PA. Dit materiaal is het moeilijkst te printen, maar de Creality K1C is erin geslaagd het te printen.

De resultaten zijn echter heel erg bedreigend. De versnellingen faalden bij een kracht van 66N, maar ik denk niet dat dit de echte kracht is van een goed nylonfilament. Ik heb dit een jaar geleden gekocht van een onbekende bron, het is een behoorlijk slechte.

Over het geheel genomen waren de resultaten die ik uit deze test kreeg behoorlijk nauwkeurig en kwamen ze overeen met deze tabel met filamenteigenschappen van Simplyfy3D.

De PLA-tandwielen hadden de grootste sterkte, maar ook de grootste stijfheid. Aan de andere kant vertonen de ASA-versnellingen dezelfde sterkte als de PLA, terwijl ze een lagere stijfheid hebben, net als het ABS.

Duurzaamheid

Wat betreft de duurzaamheid van de materialen:ik wilde een duurzaamheidstest doen met de 16:1 reduceropstelling en kijken welk materiaal het meest duurzaam is voor 3D-geprinte tandwielen, maar het is mij niet gelukt.

Ik begon de tests uit te voeren, maar de versnellingen waren verrassend goed en konden de test niet doorstaan, zelfs niet na ongeveer 1 uur draaien, zelfs met een aanzienlijke belasting aan de uitgangsbalk. De test was te luid en in mijn huidige studio of werkplaats kon ik deze test niet goed of lang genoeg uitvoeren.

Hoe dan ook, in de toekomst zal ik proberen deze duurzaamheidstest uit te voeren, en ik zal de resultaten delen in de beschrijving van deze video en in het websiteartikel.

Voorlopig kun je bovenstaande tabel als referentie gebruiken, omdat deze ook overeenkwam met mijn tests. Ik zal ook een link naar de beschrijving plaatsen.

Ik hoop dat je deze tutorial leuk vond en iets nieuws hebt geleerd