Cómo elegir la transmisión impresa en 3D ideal para tu próximo proyecto de robótica

En esta comparativa analizaremos qué es mejor: una transmisión cicloidal impresa en 3D, una caja de engranajes planetaria o una transmisión por correa. Las evaluaremos en varias categorías: mediremos su eficiencia y par de salida, su precisión y juego (backlash), y su durabilidad. También las compararemos en coste, tamaño, peso y facilidad de fabricación.

Puedes ver el siguiente vídeo o leer el tutorial escrito a continuación.

Resumen

¿Por qué esta comparativa? El objetivo principal es entender qué transmisión o reductor de velocidad sería la mejor opción para una articulación de robot. En el próximo período diseñaré y construiré algunos brazos robóticos, así que con estos resultados podrás elegir el reductor que mejor se adapte a tu diseño.

Ya tengo vídeos dedicados en mi canal explicando en detalle qué son y cómo funcionan una transmisión cicloidal y una caja planetaria, así como cómo diseñarlas; te recomiendo verlos para más detalles.

Aquí solo veremos los parámetros clave de entrada que definen el diseño de cada transmisión.

Diseño

Transmisión cicloidal

Empezamos con la transmisión cicloidal. Al diseñarla, los parámetros principales son la relación de reducción deseada y el tipo o tamaño de los rodillos que usaremos.

Para esta construcción decidí usar casquillos (bushings) de 6 mm de diámetro interior y 10 mm de exterior.

Estos casquillos son más suaves que los de 8 mm que usé en proyectos anteriores, así que quería ver si mejoraban el rendimiento. Sin embargo, el tamaño de los rodillos define directamente el tamaño de los discos cicloidales y de toda la transmisión.

Diseñé la transmisión fácilmente en Onshape, que también patrocina este vídeo. Onshape es un sistema CAD y PDM de grado profesional que ahora ofrece hasta 6 meses gratis de su versión profesional a ingenieros y empresas.

Es muy sencillo generar el disco cicloidal con la librería personalizada Cycloidal Drive FeatureScripts de Onshape. Solo hay que introducir los parámetros: número de dientes del disco, excentricidad y diámetros de los rodillos (tanto los del anillo exterior como los del eje de salida). Al hacerlo, el modelo 3D se actualiza junto con otros parámetros que debemos vigilar y corregir si es necesario. El diámetro del círculo es la dimensión total del disco, y el objetivo es que sea lo más pequeño posible según nuestros parámetros fijos.

El disco cicloidal es la pieza más importante; el resto de componentes se diseñan alrededor de él. Otros parámetros que influyen son el tipo de motor, cómo accionar el eje de entrada, los rodamientos disponibles, la aplicación del reductor, etc.

Caja de engranajes planetaria

Veamos ahora la caja planetaria. Es el mismo diseño de mi vídeo anterior donde explico en detalle cómo diseñarla. Es una caja planetaria de dos etapas, con reducción 4:1 en cada etapa, para un total de 16:1.

Para mejor rendimiento, en lugar de casquillos uso rodamientos de bolas en los engranajes planetarios. Cada engranaje aloja dos rodamientos, lo que permite fijarlos firmemente y absorber las fuerzas axiales que aparecen al usar engranajes helicoidales.

Transmisión por correa

Por último, la transmisión por correa. También buscamos una reducción 16:1, fácilmente logrado en dos etapas de 4:1.

Elegí correa GT2 por ser la más popular, disponible y ofrecer gran rendimiento en cuanto a juego. Casi todas las impresoras 3D usan este tipo de correas. Conseguí dos correas cerradas GT2 de 226 mm y 10 mm de ancho.

Para que funcionen, necesitamos poleas GT2 adecuadas. De nuevo, con una librería FeatureScript personalizada en Onshape, generamos las poleas fácilmente: solo hay que seleccionar el tipo de correa (3M o 2M, es decir, paso de 3 mm o 2 mm) e introducir el número de dientes.

Puse 20 dientes en las poleas de entrada y 80 en las de salida. La polea de salida de la primera etapa (80 dientes) actúa como polea de entrada (20 dientes) de la segunda etapa y va montada sobre dos rodamientos. Su eje es un eje hueco impreso en 3D de 6 mm reforzado con un tornillo M4. La polea de salida de la segunda etapa se apoya en dos rodamientos, uno en el eje del motor y otro en la carcasa.

Modelos 3D

Visualiza y explora los modelos 3D:

• Transmisión cicloidal: https://bit.ly/3RsTa6g
• Transmisión por correa: https://bit.ly/3DZGIb7
• Caja planetaria: https://bit.ly/3XGtTsZ

Esta sección está en construcción. Los archivos STL estarán disponibles pronto.

Impresión 3D

Usé la impresora Creality K2 Plus para todas las piezas. Al imprimir, es esencial usar la función Horizontal Expansion (en el nuevo Creality Print se llama X-Y contour compensation y X-Y hole compensation).

Si dejamos los valores por defecto, las dimensiones probablemente no coincidirán con el modelo CAD debido a la expansión del filamento. Los agujeros suelen salir más pequeños y los contornos más grandes.

La clave es qué valores usar, ya que afectan directamente a la precisión y rendimiento. Usé valores distintos para cada pieza según su función.

Por ejemplo, al imprimir los discos cicloidales usé 0,12 mm para compensación de agujeros (X-Y hole) y –0,15 mm para contorno. Así los agujeros de los rodillos de salida salieron a la medida correcta y el contorno del disco quedó más pequeño para encajar en los rodillos del anillo.

Lista de valores de compensación horizontal (X-Y) usados:

Pieza	Compensación de contorno	Compensación de agujero
Transmisión cicloidal
Disco cicloidal	-0,15 mm -0,20 mm para ajuste más holgado	0,10 mm 0,15 mm para ajuste más holgado
Rodamiento excéntrico	0,07 mm	0,03 mm
Acoplador de eje	0,07 mm	0 mm
Caja planetaria
Anillo / carcasa	0 mm -0,10 mm para ajuste más holgado	0,05 mm
Engranajes planetarios	0 mm -0,05 mm para ajuste más holgado	0,05 mm
Porta-planetarios / salida	0,07 mm – para encajar mejor con el rodamiento de salida	0,05 mm
Transmisión por correa
Poleas GT2	-0,05 mm	0,05 mm

Puedes probar estos valores, pero es posible que necesites otros según tu impresora. Solo se consiguen haciendo pruebas con distintos valores. Verás en los tests cómo afectan al rendimiento.

Por cierto, gracias a Creality por proporcionarme esta excelente impresora. La Creality K2 Plus es una de las mejores que he usado. Mira mi análisis detallado. Disponible en: Creality USA store; Creality EU store; Amazon.

Montaje de las transmisiones

Aquí tienes todas las piezas impresas y componentes necesarios para ensamblar los tres reductores.

Se nota que la transmisión por correa tiene menos piezas, mientras que la cicloidal requiere considerablemente más componentes (pasadores, casquillos). La planetaria queda en medio.

Lista de materiales (BOM)

Lista completa de componentes necesarios: casquillos, correas, rodamientos, tornillos y tuercas.

Componente	Cantidad	Enlaces de compra
Transmisión cicloidal
Pasadores D-6 mm, L-30 mm	16	Amazon | AliExpress
Pasadores D-6 mm, L-24/25 mm	6	Amazon | AliExpress
Casquillos ID6 mm OD10 mm L16 mm o 2xL8 mm	22	Amazon | AliExpress
Rodamiento 35x47x7 6807	1	Amazon | AliExpress
Rodamiento 17x26x5 mm 6803	3	Amazon | AliExpress
Rodamiento 12x21x5 mm 6801	1	Amazon | AliExpress
Tornillos M3x10 mm avellanados / M3x10 mm	4 / 6	Amazon | AliExpress
Caja planetaria
Pasadores D-6 mm, L-22 mm	6	Amazon | AliExpress
Rodamiento 35x47x7 6807	1	Amazon | AliExpress
Rodamiento 15x24x5 6802	2	Amazon | AliExpress
Rodamiento 6x13x5 mm 686	1	Amazon | AliExpress
Tornillos M3x10 mm / M3x10 mm avellanados	6 / 4	Amazon | AliExpress
Transmisión por correa
Correa GT2 226 mm	2	Amazon | AliExpress
Rodamiento 35x47x7 6807	1	Amazon | AliExpress
Rodamiento 15x24x5 6802	1	Amazon | AliExpress
Rodamiento 6x13x5 mm 686	2	Amazon | AliExpress
Tornillos M3x10 mm / M3x8 mm / M3x16 mm avellanados / M3x25 mm avellanados	4 / 4 / 2 / 2	Amazon | AliExpress
Otros
Tornillos de presión M3	–	Amazon | AliExpress
Tuercas M3 / M4	–	Amazon | AliExpress

A continuación, repaso rápido del montaje de cada transmisión.

Montaje de la transmisión por correa

Primero insertamos la polea de salida final a través del rodamiento en la carcasa. Luego instalamos el rodamiento dentro de la polea de salida donde irá la primera polea de entrada. Esta polea de entrada se fija al motor paso a paso: hice dos ranuras para insertar tuercas M3 y con tornillos de presión M3 la aseguramos firmemente. La polea debe quedar 2 mm por encima del motor.

Antes de insertar el motor, colocamos las dos correas. Luego fijamos el motor a la carcasa con tornillos M3; como buscaba máxima compacidad, solo fue posible con alicates estrechos. No es cómodo, pero buscaba máxima rigidez para mejor rendimiento.

Insertamos la polea intermedia y enrollamos las dos correas. Esta polea aloja dos rodamientos con un anillo de separación. Luego insertamos el eje hueco impreso en 3D (6 mm) reforzado con tornillo M4. Podríamos usar un tornillo M6, pero su diámetro exterior (~5,8 mm) no daría un ajuste tan preciso; con el eje impreso logramos exactamente 6 mm o 5,95 mm para pasar perfectamente por los rodamientos.

En la parte inferior colocamos un anillo de separación sobre el que apoyará el rodamiento. Estiramos las correas, insertamos el eje a través de los rodamientos y al otro lado de la carcasa, pasamos el tornillo M4 y aseguramos con tuerca M4. ¡La transmisión por correa está lista y funciona!

Las correas quedan bastante tensas, pero para mejor control y rendimiento añadimos tensor. Hice los tensores con un rodamiento de 13 mm de exterior montado en un soporte con tornillos y tuercas M3. Empujamos el soporte contra la correa, tensamos y apretamos el tornillo. Mecanismo simple y efectivo.

Finalmente, aseguramos la tapa con tornillos M3 y tuercas, e insertamos roscas en el eje de salida para fijar accesorios. Al mover el eje a mano, parece no haber juego ninguno.

Montaje de la transmisión cicloidal

Como ya tengo vídeos detallados sobre montaje de transmisiones cicloidales y planetarias, aquí solo mencionaré puntos clave.

Al ensamblar la cicloidal, no conseguía insertar el segundo disco aunque seguía las reglas: lo colocaba 180° fuera de fase y verificaba todas las dimensiones. El problema era la relación de reducción: una transmisión cicloidal debe tener un número impar para funcionar correctamente con dos discos. En mis diseños anteriores la relación era impar por casualidad, así que pasé por alto este requisito.

Tuve que cambiar el número de dientes a 15 y los rodillos del anillo a 16, reimprimiendo carcasa y discos. Entonces pude instalar ambos discos correctamente y terminar el montaje.

Test de juego (backlash)

Ya tenemos las tres transmisiones listas para las pruebas comparativas. Empezamos con la precisión / juego.

Caja planetaria

Primero la planetaria. Probé su repetibilidad: la barra volvía a su posición dentro de 1/100 mm a 20 cm. Pero al aplicar fuerza, el juego se nota: la barra se mueve unos mm arriba y abajo. Al moverla a mano se siente juego libre sin resistencia.

Para expresar el juego en arcminutos (unidad típica), medimos el desplazamiento en ambas direcciones aplicando una carga del 1-2 % del par nominal. Al testear el par, obtuve ~32 N a 10 cm, así que para el test de juego usé ~2 N a 20 cm. Obtuve desplazamientos de 2,9 mm y 0,75 mm.

Con trigonometría simple, el ángulo de desplazamiento (alpha) sale ~1°. Un arcminuto = 1/60°. Por tanto, el juego de esta planetaria impresa en 3D es ~60 arcmin.

Por favor, comentad si sabéis si este método de medición y cálculo es correcto. Aunque no sea 100 % exacto, usaremos el mismo método para todas las transmisiones y así tendremos resultados comparables.

Como mencioné, según lo ajustado del engrane, los resultados varían. En el primer test, el anillo se imprimió con expansión horizontal –0,15 mm y los planetarios con –0,05 mm. Luego reemplacé el anillo con expansión 0 mm (ajuste más apretado): el juego bajó a ~50 arcmin (15 % mejor, se nota al tacto).

Imprimiendo también los planetarios con 0 mm, mejoré a ~30 arcmin. Así, del inicial 60 arcmin pasamos a 30 arcmin.

Nota: en el diseño, al generar los engranajes con el FeatureScript de Onshape, añadí un juego/offset de 0,1 mm. Por eso puedo imprimir todo con 0 mm y aún ensamblar bien. Podríamos quitar ese offset, pero creo que entonces no se podrían ensambajar o perderían eficiencia/atascarían. Veremos eso en el test de eficiencia/par.

Transmisión cicloidal

En repetibilidad, la cicloidal dio peores resultados: la barra volvía en puntos distintos dentro de 1/10 mm. En juego, calculé ~60 arcmin (igual que el peor caso de la planetaria). Al moverla a mano no se sentía juego libre, sino resistencia inmediata.

Para este test, los discos se imprimieron con –0,15 mm y eran bastante ajustados. Probé con –0,2 mm y +0,2 mm en agujeros (la precisión de los 6 agujeros de salida también influye). Con ajuste más holgado, los resultados fueron mucho peores: ~150 arcmin y juego libre al mover a mano.

Transmisión por correa

La repetibilidad parece buena, dentro de 1/100 mm a 20 cm, aunque se nota un ligero sobrepaso: la barra sube a 0,04 mm y vuelve a 0,03 mm.

En juego, calculé ~45 arcmin. Buen resultado frente a las otras dos, pero con la correa puedo controlar la tensión y quizás mejorar. Apreté un poco más la correa y el juego bajó a ~25 arcmin.

Así, la transmisión por correa dio los mejores resultados en juego.

Test de par / eficiencia

Transmisión cicloidal

A 10 cm obtuve ~16 N, es decir, ~160 Ncm de par. Comparado con el par del motor paso a paso sin reductor (~18 Ncm), es un aumento de ~9×. Eficiencia ~60 % (relación 15:1, ideal 15×, obtuvimos 60 %). Supongo que hay mucha fricción o resistencia por el ajuste apretado de los discos.

Con discos de ajuste más holgado, obtuve ~18 N (180 Ncm), ~10 % mejor eficiencia (~66 %), pero el juego era enorme, totalmente inutilizable para trabajo de precisión.

Caja planetaria

A 10 cm obtuve ~36 N (~350 Ncm). Sorprendente: comparado con el motor sin reductor (~23 Ncm), aumento ~15×. Relación 16:1, eficiencia ~90-95 %. Este test fue con engranajes de ajuste holgado (ligero juego al tacto).

Con anillo impreso a 0 mm: ~310 Ncm (~84 % eficiencia). Con planetarios también a 0 mm: ~290 Ncm (~78 % eficiencia). Muy buen resultado para una caja impresa en 3D.

Transmisión por correa

Primera prueba con correas algo flojas: ~260 Ncm, eficiencia ~70 % (motor ~23 Ncm). El problema: la correa patinaba en la polea de entrada de la segunda etapa, no en el motor.

Con correas bien tensadas: ~360 Ncm, eficiencia ~95-97 %. ¡Impresionante! La transmisión por correa fue la más eficiente y la mejor en juego.

Pero antes de concluir, veamos más comparativas.

Test de durabilidad

Hice un test de durabilidad haciendo girar las transmisiones durante un tiempo prolongado con carga. Usé motores DC como peso y hice cambios bruscos de dirección para añadir estrés.

Tras ~2 horas, la transmisión cicloidal falló: no podía mover la carga. La correa y la planetaria continuaron 8 horas más con los mismos movimientos y estuvieron bien. Tras el test, medí de nuevo el juego.

La cicloidal perdió totalmente la precisión: ~10 mm juego libre a 20 cm.

La planetaria también introdujo juego libre en el eje de salida, que antes no tenía. Usé los engranajes de ajuste más apretado. El juego pasó de ~30 arcmin antes del test a ~60 arcmin después.

La correa, tras el test, mostró ~35 arcmin (antes ~25 arcmin).

Abrí las transmisiones para ver qué pasó.

En la cicloidal, había marcas de desgaste significativas en los discos: tanto en el perfil como en los agujeros de salida. Al deformarse el PLA, la precisión cayó drásticamente.

En la planetaria, no vi desgaste ni deformaciones apreciables. Probablemente micro-deformaciones o desgaste de las burbujas de capa que aparecen al imprimir; al gastarse esas costuras, aumenta el juego. Quizás imprimiendo con tolerancias aún menores (ajuste más apretado al principio, sacrificando algo de eficiencia), tras el desgaste inicial alcancen la eficiencia y precisión adecuadas.

En la correa, se ve desgaste en la cara posterior donde el rodamiento tensor empuja. Se soluciona fácilmente usando una rueda tensora de 10 mm adecuada. Además, siempre podemos retensar las correas tras el uso para recuperar precisión. En las otras dos no se puede añadir material ni tensar nada.

Considerando todo, la transmisión por correa salió como la mejor.

Y no solo eso: también ganó en peso, coste y facilidad de fabricación.

Otras comparativas

Peso total (incluyendo motor paso a paso NEMA 17): correa ~550 g, planetaria ~600 g, cicloidal ~710 g. El peso es crucial si se usan como articulaciones de robot.

En tamaño, la cicloidal es la más compacta; planetaria y correa son similares pero con distinta configuración.

En complejidad de montaje: cicloidal la más difícil, planetaria intermedia, correa la más fácil (menos componentes no impresos).

Esto afecta directamente al coste: cicloidal ~$28 (sin piezas impresas), planetaria ~$23, correa solo ~$7,5 (1/3 o 1/4).

Conclusión

Mi veredicto final: ¿qué es mejor: cicloidal, planetaria o correa impresa en 3D?

Evitaría la cicloidal; solo destacaba en compacidad.

Planetaria y correa mostraron rendimiento muy similar, pero si debo elegir un ganador en todos los tests, es la transmisión por correa. Fue la mejor en precisión, eficiencia y durabilidad, además de la más fácil y barata de construir.

Pero no me quedo aquí: haré más comparativas entre planetaria y correa en escenarios reales, construyendo dos brazos robóticos, uno con planetarias y otro con correas, para ver su comportamiento real.