Domina la impresión 3D de engranajes: Guía completa y consejos de experto

En este tutorial aprenderás todo lo necesario sobre impresión 3D de engranajes: consejos y trucos que he adquirido imprimiendo muchos engranajes y haciendo docenas de pruebas.

Puedes ver el vídeo o leer el tutorial a continuación.

Cubriremos qué tipo de engranaje es más adecuado para impresión 3D: recto, helicoidal o de doble hélice (herringbone), en términos de resistencia, eficiencia y juego. Cómo el módulo afecta al rendimiento, cómo el relleno influye en la resistencia y qué material es el mejor para engranajes impresos en 3D.

Puse a prueba seis materiales: PLA, PLA-CF, ABS, PETG, ASA y Nylon. Veremos cuál es el más fuerte con pruebas de rotura.

Engranajes rectos vs helicoidales vs de doble hélice

Primero comparemos los tres tipos. Los engranajes rectos (spur) son los más simples, con dientes paralelos al eje. Los helicoidales tienen dientes inclinados respecto al eje. Los de doble hélice (herringbone) combinan dos helicoidales opuestos (hélice derecha e izquierda).

En la industria, los rectos suelen ser la primera opción por ser los más fáciles y baratos de fabricar. Luego vienen los helicoidales (más difíciles y caros). Por último, los de doble hélice, los más complejos y costosos.

Sin embargo, en impresión 3D, fabricar cualquiera de los tres tipos es igual de sencillo. Una impresora 3D puede crear cualquier perfil de diente capa a capa. Así que el coste de fabricación no se considera aquí; veamos ventajas e inconvenientes de cada tipo.

Los rectos son los más eficientes porque tienen la menor superficie de contacto al engranar: una línea recta que aparece bruscamente con cada engrane. Este contacto brusco es su lado negativo: causa carga de impacto en los dientes, afectando capacidad de carga, durabilidad, y generando más ruido y vibración.

Los helicoidales ofrecen funcionamiento más suave y silencioso, mayor capacidad de carga, vida más larga y pueden usarse a mayores velocidades. El contacto entre dientes ocurre gradualmente: empieza como un punto, se convierte en línea y vuelve a punto. Además, en todo momento tienen más superficie de contacto que los rectos. Se ve en la demo que tres o dos dientes siempre están engranados transmitiendo potencia, mientras que en rectos solo dos o a veces uno soporta toda la carga.

Pero estas ventajas tienen un precio: la aparición de fuerza axial debido a los dientes inclinados. Según el ángulo de hélice (15-25°), puede surgir una fuerza axial significativa que hay que considerar en el diseño. Se nota claramente en la prueba: al aplicar fuerza radial, aparece fuerza axial que tiende a sacar el engranaje de su sitio.

Para evitar esta fuerza axial está el engranaje de doble hélice: dos helicoidales opuestos. Así las fuerzas axiales se cancelan, manteniendo todas las ventajas de los helicoidales sin fuerza axial. Pero surge otra desventaja: dificultad de montaje. Con rectos y helicoidales, simplemente deslizas los engranajes y engranan, incluso si uno gira. Con doble hélice no puedes: debes engranarlos primero y luego colocarlos en los ejes simultáneamente o insertar los ejes después.

Diseño de engranajes

Pongamos a prueba los engranajes impresos en 3D y veamos resultados.

Para diseñarlos usé Onshape, patrocinador de este tutorial. Onshape es un sistema CAD y PDM profesional en la nube, que ofrece hasta 6 meses gratis de su versión profesional a ingenieros y empresas.

Podemos crear engranajes fácilmente con el FeatureScript personalizado Spur Gear. Elegimos módulo, número de dientes, ancho, chaflán, taladro central. También podemos elegir engranaje helicoidal, ángulo de hélice y orientación (izquierda/derecha). Para doble hélice, solo hay que seleccionar Double Helix. Hay opción de añadir offset al perfil completo, muy útil para impresión 3D.

Usé mi nueva Creality K1C para imprimir todos los engranajes. Al imprimir engranajes (o cualquier pieza que requiera precisión dimensional), hay que usar la función Horizontal Expansion en el laminador. Compensa la expansión del filamento; en mi caso usé -0,15 mm, pero debes hacer pruebas para encontrar tu valor óptimo.

También es crucial evitar el efecto elephant foot (pie de elefante). Ocurre cuando el nivelado de la base no es correcto: la boquilla está demasiado cerca en la primera capa, comprimiendo el material y haciendo que las primeras capas no sean dimensionalmente precisas. Esto afecta directamente al rendimiento de los engranajes. Para evitarlo, ajustamos el nivelado o en el laminador el offset G-code. Haciendo pruebas encontré 0,1 mm como valor correcto, y los engranajes salieron perfectos.

Otra forma de evitar el efecto pie de elefante es imprimir con balsa (raft), pero también requiere pruebas. Si no logras los ajustes, también puedes chaflanear los bordes a mano.

Gracias a Creality por proporcionarme esta impresora. La Creality K1C es realmente genial, paquete completo con muchas funciones y gran calidad a altas velocidades. Disponible en: Creality USA store; EU store; Amazon.

Test 1 – Nivel de ruido y eficiencia

Primer test: motor DC 12 V con engranaje de 20 dientes y módulo 2.5, que impulsa otro igual. Observamos ruido y eficiencia. Voltaje constante, medimos consumo de potencia.

• Rectos: ~77 dB, consumo 5,36–5,61 W.
• Helicoidales: ~75 dB, consumo 5,61–5,85 W.
• Doble hélice: ~74 dB, consumo 5,61–6,1 W.

Resultados coinciden con la teoría: rectos más eficientes (menos consumo) pero más ruidosos. Helicoidales y doble hélice menos eficientes pero más silenciosos.

Test 2 – Juego (backlash)

Para test de juego y resistencia: un engranaje fijo con 4 tornillos, el otro gira con dos rodamientos. Mismo módulo 2.5, misma configuración de impresión.

• Rectos: juego total ~2,5 mm a 10 cm.
• Helicoidales: ~1,5 mm a 10 cm.
• Doble hélice: ~1,8 mm a 10 cm.

Como era de esperar, rectos tienen mayor juego que helicoidales y doble hélice.

Pero sentí que estas pruebas eran demasiado simples para una comparación adecuada, así que hice otro montaje: un reductor de 4 etapas, relación 16:1, escenario más común.

Test 3 – Reductor 16:1

Motor NEMA 17 paso a paso, 4 etapas de 2:1 = 16:1 total. Engranajes conductores 17 dientes, conducidos 34 dientes. Módulo 1.5.

Reductor recto: juego libre ~2,5 mm en salida a 10 cm. Para ser más preciso, usé dinamómetro aplicando fuerza de referencia 5 N en cada lado y medí desplazamiento. Juego total en la barra: 4,4 mm a 10 cm. Ángulo de desplazamiento ~2,52° → ~151 arcmin.

Reductor helicoidal: desplazamiento total ~5,1 mm → ~175 arcmin.

Reductor doble hélice: ~4,9 mm → ~168 arcmin.

Resultados opuestos al primer test: aquí los rectos mostraron mejor juego. Posibles razones: los ejes tienen pequeño desplazamiento al aplicar fuerza (soportados solo en un lado), y hay juego entre rodamientos y engranajes. Es difícil imprimir piezas que encajen perfectamente con componentes mecánicos. Probé añadir cinta a los rodamientos para reducir juego; ayudó, pero no garantiza igualdad para cada engranaje. Podríamos hacer los agujeros más pequeños y forzar el rodamiento, pero eso podría afectar negativamente a la eficiencia (los dos rodamientos no quedarían perfectamente alineados, causando más resistencia).

Test 4 – Eficiencia del reductor

Medí fuerza/par que produce el reductor al mismo voltaje del motor paso a paso.

• Rectos: ~32 N máx.
• Helicoidales: ~28 N.
• Doble hélice: ~30,4 N.

Los rectos son los más eficientes, pero todos muy cercanos.

¿Qué tipo de engranaje impreso en 3D es más fuerte?

Para test de resistencia, uso dinamómetro tirando de una barra unida al engranaje a 20 cm hasta que rompe.

Recto: rompe a 190 N (38 Nm). Al examinar, no falló por los dientes, sino por el interior/relleno.

Como todos impresos con mismo filamento y ajustes, resultados similares por tipo.

• Helicoidal: 213 N (42,6 Nm).
• Doble hélice: 152 N (30,4 Nm).

Para obtener resultados más significativos y ver cómo el tipo afecta realmente a la resistencia, debí debilitar los dientes. La resistencia es proporcional al ancho y al módulo. Imprimí nuevos engranajes con módulo 2 y ancho 12 mm. Aumenté distancia a 30 cm para facilitar tracción.

Recto: falló en los dientes a 116 N (34,8 Nm). Los 4 tornillos que sujetaban el engranaje fijo se doblaron un poco, aumentando ligeramente la distancia entre centros y desplazando el contacto a la punta de los dientes, lo que reduce resistencia, pero mismo escenario para los otros tipos, así que resultados comparables.

Helicoidal: falló a 112 N (34 Nm), muy similar al recto.

Doble hélice: como era de esperar, mejor resultado. Falló a 120 N (36 Nm).

La diferencia de resistencia entre los tres tipos no es enorme, pero se nota. El doble hélice es el más fuerte.

De todos modos, los tres tipos están muy cerca. La única diferencia clara que noté en el reductor 16:1 fue el nivel de vibración.

Subjetivamente, solo lo noté tocando la barra de salida a máxima velocidad. Los rectos tenían vibración significativamente mayor. Helicoidales y doble hélice mucho más suaves.

Veredicto

Mi veredicto final sobre el mejor tipo de engranaje para impresión 3D:

• Evita engranajes rectos.
• Usa engranajes de doble hélice siempre que sea posible.
• Utiliza rodamientos que acepten fuerzas axiales al usar engranajes helicoidales.

¡Eso es todo!

¿Qué módulo para engranajes impresos en 3D?

Veamos cómo el módulo afecta al rendimiento. El módulo define el tamaño de los dientes y del engranaje. Imprimí engranajes con 5 módulos distintos, de 1 a 2.5. Todos de doble hélice, mismos ajustes.

• Módulo 1, 50 dientes: fallaron a 98,3 N (29,5 Nm). Dientes rotos en ambos.
• Módulo 1,25, 40 dientes: fallaron a 126 N (37,8 Nm).
• Módulo 1,5, 33 dientes: fallaron a 108 N (32,4 Nm). Hubo bastante desplazamiento en el engranaje fijo (tornillos ya doblados de tests previos), presión en punta de dientes.
• Módulo 2, 25 dientes: rompieron a 149 N (44,7 Nm).
• Módulo 2,5, 20 dientes: fallaron a 121 N (36,3 Nm). Aquí se rompió todo el engranaje, no los dientes, porque el relleno era 30 %. Imprimí otro con 45 %: falló igual a 124 N. Otro con 100 %: no se rompió el cuerpo, pero falló en los dientes a la misma fuerza 124 N. No tenía sentido, debería ser más fuerte. El problema fue que usé un carrete viejo del mismo filamento azul; la edad/humedad afecta. Incluso misma marca y color distinto cambia resistencia. Imprimí otro con 100 % relleno y filamento Creality Hyper PLA: rompió en dientes a 156,4 N (47 Nm).

Resumen: mayor módulo (dientes más grandes) → más resistencia. Lo mismo para el ancho. El relleno también contribuye. Recomiendo mínimo 35 % relleno, hasta 100 % si se necesita. Probablemente más importante es el número de líneas de pared (wall line count), recomiendo 5 o más.

¿Qué material es el más fuerte para engranajes impresos en 3D?

Test con engranajes rectos, módulo 1.5.

• PLA: rompió a 116,9 N (35 Nm).
• PLA-CF (Creality): falló a 111 N.
• ABS: falló ~90 N. De forma más gradual que PLA; aguanta algo de flexión/deformación antes de romper, buena característica.
• ASA: rompió a 120,9 N. Comportamiento mixto: tan fuerte como PLA, incluso 4 N más, pero con algo de flexión antes de romper como ABS.
• PETG: falló a 87,2 N. Algo de deformación antes de romper.
• Nylon (PA): el más difícil de imprimir, pero la K1C lo logró. Resultados muy malos: falló a 66 N. No creo que sea la resistencia real de un buen Nylon; el filamento lo compré hace un año de fuente desconocida, es muy malo.

En general, mis resultados coinciden bastante con la Tabla de Propiedades de Filamentos de Simplify3D.

PLA: mayor resistencia y mayor rigidez. ASA: misma resistencia que PLA, pero menor rigidez, como ABS.

Durabilidad

Quería hacer test de durabilidad con el reductor 16:1 para ver qué material aguanta más, pero no lo logré. Empecé tests, pero los engranajes aguantaban sorprendentemente bien, no fallaban ni tras 1 hora girando con carga significativa. El test era muy ruidoso y mi estudio/taller actual no permitía hacerlo bien ni el tiempo suficiente.

En el futuro intentaré hacer este test de durabilidad y compartiré resultados en la descripción del vídeo y en el artículo web.

Por ahora, puedes usar la tabla mencionada como referencia porque coincidió con mis tests. Pondré enlace en la descripción.

Espero que hayas disfrutado el tutorial y aprendido algo nuevo.