Как печатать шестерни на FDM-принтере: советы и лайфхаки

Зачем печатать шестерни самостоятельно?

• Стоимость. Собственное мелкосерийное производство дешевле, чем аутсорсинг;
• свобода проектирования. Вы можете перебирать различные версии деталей, пока не найдете то, что подходит вашему проекту;
• скорость. Изготовить детали самостоятельно — быстрее, чем ждать заказ. Это особенно важно, если нужно оперативно заменить сломанную шестерню в инструменте;
• при правильном проектировании, оптимальном выборе материала и точной настройке процесса печатные шестерни могут быть столь же прочными, что и традиционные детали.

Шаги

1. Спроектировать деталь

1.1. Вы можете найти тысячи бесплатных готовых исходников и шаблонов для 3D-печати, например, в библиотеках Thingiverse, Instructables, Cults, Printables и на других ресурсах. Большинство файлов распространяются в формате STL. Чтобы их изменять, нужно воспользоваться программой-редактором, например, ThinkerCAD.

1.2. Можно проектировать детали самостоятельно в программах, таких как 3D Slash или 3DCrafter. Есть много специального софта, в том числе бесплатного и для любого уровня подготовки пользователей. Существуют программы-генераторы моделей именно шестерен, например, Gear Generator.

1.3. Можно прибегнуть к реверс-инжинирингу, если вам нужно напечатать аналог имеющейся на руках сломанной или устаревшей детали. В таком случае вы делаете точную копию шестерни, например, с помощью 3D-сканера, и редактируете ее.

1.4. При проектировании следует помнить, что конструкция шестерни имеет решающее значение для ее работы. Зубчатые колеса имеют два основных параметра — шаг (расстояние между двумя соседними зубьями шестерни) и количество зубьев (используется для расчета передаточного числа другой шестерни). Также следует учитывать их размер и профиль.

1.5. Шестерни лучше проектировать парами.

2. Позаботиться о прочности шестерен

2.1. При сплошном заполнении используется больше материала, но при этом вы получаете более прочные и долговечные шестерни. Эти детали подвергаются большим механическим нагрузкам, поэтому важно, что сплошное заполнение гарантирует отсутствие точек разрушения в шестернях из-за отсутствия полостей. Если долговечность не столь принципиальна — например, для тестов, то выберите заполнение от 15% до 30%.

2.2. Вы можете увеличить толщину шестерен, что также укрепит их зубья. Удвоение толщины удваивает прочность, но вы должны учитывать совместимость конкретной шестерни с другими шестернями.

2.3. Зубья большего размера — прочнее, лучше справляются с ошибками допусков и их легче обрабатывать после печати.

3. Выбрать материал

Полимеры

• Нейлон (например, Nylon 12CF). Прослужит дольше других материалов. Он прочный и гибкий, имеет низкий коэффициент трения. Высокая межслойная адгезия позволяет получать долговечные детали без дефектов. Однако, нейлон хорошо впитывает влагу. Поэтому, если ваши механизмы будут работать во влажной среде или на открытом воздухе, лучше взять другой материал.

• PLA. Этим пластиком легко печатать, т.к. он плавится при достаточно низких температурах. Обладает превосходной гибкостью, прочностью и износостойкостью, хотя и не такими высокими, как нейлон. Из минусов: PLA не переносит высокие температуры и начинает деформироваться даже если оставить его на солнце.

• PETG. По сравнению с нейлоном и PLA имеет лучшие характеристики при низких температурах. Обладает высокой температурой плавления, устойчивостью к большинству химических реагентов и ультрафиолету. Однако он гигроскопичен и более хрупкий, чем нейлон или PLA.

• ABS. Этот пластик мягче, чем нейлон или PLA. Однако он имеет хорошую ударную вязкость — способность материала сопротивляться разрушению, поглощая энергию удара, устойчив к высоким температурам.

Металлы

Титановые сплавы, суперсплавы на основе никеля, алюминиевые сплавы, инструментальная и нержавеющая сталь, металлические порошки, такие как AISI 8620, 16MnCr5 и 20MnCr5 и другие.

Композиты

Композиты представляют собой комбинацию двух или более материалов и могут использоваться для создания шестерен и компонентов с особыми свойствами. Например, полимер, армированный углеродным волокном, можно использовать для изготовления легкой и высокопрочной шестерни.

4. Проверить настройки 3D-принтера

4.1. Результат может оказаться неудачным, если 3D-принтер настроен неправильно. Например, использование оптимальных настроек нагрева 3D-принтера заметно влияет на уровень прочности шестерен и обеспечивает надлежащую межслойную адгезию.

4.2. У шестерен много граней, и их печать занимает время. В идеале стоит использовать позволить принтеру работать настолько медленно, насколько это необходимо для точности.

4.3. Если вы хотите печатать шестерни с очень мелкими зубьями, вам придется заменить стандартное сопло на меньшее. При этом для выдавливания нити потребуется большее усилие. В таком случае можно увеличить температуру сопла, уменьшив вязкость нити, хотя и это не идеальный вариант.

4.4. Убедитесь, что у вас идеально ровная платформа для печати. В противном случае могут возникнуть искажения детали, влияющие на ее функциональность.

5. Отправить на печать

5.1. Чтобы превратить STL-файл в код, который понимает 3D-принтер, потребуется программа-слайсер. Например, Cura или CraftWare.

5.2. В начале стоит сделать несколько пробных деталей, чтобы оптимизировать параметры печати и убедиться, что результат вас устраивает. При тестировании обязательно используйте тот же материал, который вы планируете использовать для конечных шестерен.

6. Обработать после печати

3D-печатные шестерни обычно требуют постпечатной обработки. Нужно удалить поддержку, если она была, а также при необходимости почистить и отшлифовать деталь. Вы можете использовать нож для чистки зубьев и обработать детали наждачной бумагой или наждачной бруском, чтобы удалить неточности и мелкие дефекты.

7. Контроль после печати

При печати на бытовых 3D-принтерах проверка контроля параметров готовых изделий обязательна. Для этого используется ручной инструмент — штангенциркули, угломеры и т.д. При печати на профессиональных устройствах контролируют выборку из партии. По мнению инженеров Globatek, в случае с высококачественным оборудованием, таким как 3D-принтеры Fortus, постпечатный контроль чаще всего не требуется.