Domine los engranajes de impresión 3D:consejos de expertos y guía completa

En este tutorial aprenderemos todo lo que necesitamos saber sobre engranajes de impresión 3D, consejos y trucos que adquirí imprimiendo en 3D bastantes engranajes y haciendo decenas de pruebas con ellos.

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

Cubriremos qué tipo de engranaje es el más adecuado para la impresión 3D:engranaje recto, helicoidal o en espiga en términos de resistencia, eficiencia y juego.

Cómo afecta el módulo del engranaje a su rendimiento, cómo el relleno de la impresión afecta la resistencia del engranaje y qué material es mejor para los engranajes impresos en 3D.

Puse a prueba seis materiales diferentes, PLA, PLA-CF, ABS, PETG, ASA y Nylon. Veremos cuál es el más fuerte, haciendo pruebas de fuerza hasta el fallo.

Engranajes rectos, helicoidales y en espiga

Muy bien, primero comparemos los diferentes tipos de engranajes:rectos, helicoidales y en espiga.

Los engranajes rectos son el tipo más simple de engranajes y tienen dientes rectos montados paralelos al eje del engranaje. Los dientes de los engranajes helicoidales, por otro lado, están colocados en un ángulo con respecto al eje del engranaje. Los engranajes en espiga son una combinación de dos engranajes helicoidales opuestos con hélice derecha e izquierda.

En el mundo real o en la industria, los engranajes rectos suelen ser la primera opción cuando se explora la opción de engranajes, porque son los más fáciles y económicos de fabricar. Luego vienen los engranajes helicoidales, más difíciles y costosos de fabricar. Y por último, los engranajes en espiga son los más complejos y caros de fabricar.

Sin embargo, en el mundo de la impresión 3D, la fabricación o la fabricación o la impresión 3D, cualquiera de estos tres tipos de engranajes es exactamente igual y tan simple como parece.

Una impresora 3D puede imprimir fácilmente cualquier perfil de diente y, capa por capa, formar el engranaje. Entonces, en esta comparación, no se tendrá en cuenta el costo de fabricación, pero echemos un vistazo a las otras ventajas y desventajas que tiene cada tipo de engranaje.

Los engranajes rectos son el tipo de engranaje más eficiente porque tienen la menor cantidad de superficie de contacto cuando los engranajes están engranados. La superficie de contacto es una línea recta y se produce repentinamente con cada contacto de los dientes.

Sin embargo, este contacto repentino es el lado negativo de los engranajes rectos, ya que provoca una carga de impacto en los dientes. Esto afecta la capacidad de carga y la durabilidad de los engranajes, además de provocar un aumento del ruido y la vibración.

Por otro lado, los engranajes helicoidales proporcionan un funcionamiento más suave y silencioso, tienen mejor capacidad de carga, una vida útil más larga y pueden usarse a velocidades más altas. Esto es así porque el contacto entre los dientes que engranan se produce de forma gradual.

Comienza como un punto y gradualmente se convierte en una línea y luego vive como un punto. Además, en cualquier punto dado, tienen más superficie de contacto en comparación con los engranajes rectos. Podemos notar en esta demostración que siempre hay tres o dos dientes involucrados en la transmisión de potencia, mientras que en el caso de los engranajes rectos, dos o en algún momento solo un diente soporta toda la carga.

Sin embargo, como la mayoría de las cosas en la vida, todas estas características de los engranajes helicoidales tienen un precio:la introducción de fuerza axial debido a los dientes inclinados.

Dependiendo del ángulo de la hélice, que oscila entre 15 y 25 grados, puede producirse una fuerza axial importante que debe tenerse en cuenta a la hora de diseñar el sistema de engranajes. Podemos notarlo claramente en esta prueba.

Cuando aplico fuerza radial al engranaje, se produce una fuerza axial que tiende a mover el engranaje fuera de su lugar.

Para evitar esta fuerza axial, existe el engranaje en espiga, que consiste básicamente en dos engranajes helicoidales opuestos con hélice izquierda y derecha.

De esta manera, las fuerzas axiales que se producen se anulan y así tenemos todas las excelentes características de los engranajes helicoidales sin que ninguna fuerza axial actúe sobre los engranajes. Pero, de nuevo, tenemos otra desventaja:la dificultad para montar el sistema de engranajes. Con los engranajes rectos y helicoidales, simplemente podemos deslizar los engranajes en su lugar y comenzarán a engranar, incluso si uno de ellos está girando.

Con los engranajes en espiga no podemos hacer eso. Primero debemos engranar los engranajes y luego colocarlos en los ejes al mismo tiempo o insertar los ejes después.

Diseñando engranajes

Sin embargo, ahora pongamos a prueba los engranajes impresos en 3D y veamos qué resultados obtenemos de cada tipo.

Para diseñar los engranajes, utilicé Onshape. Onshape es un sistema CAD y PDM de nivel profesional y ahora ofrece hasta 6 meses gratis de la versión profesional a ingenieros y sus empresas.

Podemos crear engranajes fácilmente con el FeatureScript personalizado llamado "Spur Gear". Podemos elegir el módulo del engranaje, número de dientes, ancho del engranaje, agregar chaflán y orificio central. También podemos elegir que el engranaje sea Helicoidal y elegir el ángulo de la Hélice, y qué orientación tendrá el engranaje, izquierda o derecha.

Para un engranaje en espiga, solo necesitamos seleccionar la opción “Doble Hélice”. También hay una opción para agregar desplazamiento a todo el perfil del engranaje, lo cual es muy útil cuando se trata de impresión 3D.

Utilicé mi nueva impresora 3D Creality K1C para imprimir todos los engranajes de este vídeo. Cuando imprimimos engranajes en 3D, o cualquier otra cosa que queramos que tenga dimensiones precisas, debemos usar la función de expansión horizontal en nuestro software de corte.

Esta característica compensa la expansión del filamento y en mi caso utilicé un valor de -0,15 mm, pero deberías hacer algunas impresiones de prueba para ver qué valor se adapta a tu impresora 3D.

Además, al imprimir engranajes en 3D, es particularmente importante evitar el efecto pata de elefante. Eso sucede cuando la nivelación de la cama no es la adecuada. La boquilla está demasiado cerca de la cama al imprimir la primera capa, por lo que el material se comprime y las primeras dos capas de la pieza no son dimensionalmente precisas.

Esto afecta directamente al rendimiento de los engranajes. Para evitar esto, debemos ajustar la nivelación de la cama o, en la cortadora, ajustar el valor de compensación de Gcode. Eso sí, tendremos que hacer algunas impresiones de prueba para saber qué valor se adaptará a nuestra impresora. En mi caso fue un valor de 0,1mm, por lo que los engranajes salieron perfectos.

También hay otra forma de evitar los efectos de los dientes de elefante, y es imprimir los engranajes con una balsa debajo de la pieza, pero nuevamente es necesario realizar impresiones de prueba para encontrar la configuración correcta. En caso de que no puedas hacerlo bien, también puedes biselar los bordes del engranaje a mano.

De todos modos, me gustaría agradecer a Creality por proporcionarme esta impresora 3D. La Creality K1C es realmente una gran impresora 3D, un paquete completo con muchas funciones y una excelente calidad de impresión a altas velocidades. Compruébalo en:tienda Creality USA; tienda de la UE; Amazon.

Prueba nº1:Nivel de ruido y eficiencia

Bien, ahora veamos cómo funcionaron los engranajes. Esta es la primera configuración de prueba. Tengo un motor de 12V DC al que le puse un engranaje de 20 dientes y módulo de 2,5.  Este engranaje accionará otro engranaje con el mismo número de dientes, y desde aquí podemos observar dos cosas, los niveles de ruido que producirán los engranajes y su eficiencia. El voltaje suministrado al motor de CC será el mismo para cada tipo de engranaje, por lo que podemos realizar un seguimiento del consumo de energía necesario para hacer funcionar los engranajes y, por tanto, de su eficiencia.

En primer lugar, los engranajes rectos produjeron niveles de ruido de alrededor de 77 dB y el consumo de energía fue de 5,36 W a 5,61 W. A continuación, los niveles de ruido de los engranajes helicoidales rondaron los 75 dB y el consumo de energía de 5,61 W a 5,85 W. Por último, los niveles de ruido de los engranajes en espiga rondaron los 74 dB y el consumo de energía de 5,61 W a 6,1 W.

Entonces, los resultados que obtuvimos coinciden con lo que hablamos anteriormente sobre cada tipo de equipo. Los engranajes rectos consumen la menor cantidad de potencia, lo que significa que son el tipo más eficiente, pero también los más ruidosos. Los engranajes helicoidales y en espiga eran menos eficientes pero más silenciosos.

Prueba n.º 2:reacción

A continuación, para probar el juego y la resistencia de los engranajes, utilizaremos la siguiente configuración. Un engranaje se fijará con 4 pernos y el otro podrá girar con dos cojinetes adjuntos. Los engranajes tienen un módulo de 2,5 y todos están impresos en 3D con la misma configuración. 

Primero, estoy probando el juego o cuánto juego o espacio hay entre los dos engranajes rectos que engranan. Había un juego total en ambas direcciones de aproximadamente 2,5 mm a una distancia de 10 cm.

A continuación, los engranajes helicoidales mostraron mejores resultados. Había un juego total en ambas direcciones de aproximadamente 1,5 mm a 10 cm. Y en los engranajes en espiga había un juego total en ambas direcciones de aproximadamente 1,8 mm a 10 cm.

Nuevamente, los resultados fueron los esperados:los engranajes rectos tuvieron un mayor juego en comparación con los engranajes helicoidales y en espiga. 

Sin embargo, sentí que estas pruebas eran demasiado simples para hacer una comparación adecuada, así que decidí hacer otra configuración de prueba. Hice un reductor de engranajes de cuatro etapas, con una relación de reducción de 16:1, un escenario más común para el uso de engranajes.

Prueba nº3 – Reductor de velocidad 16:1

Entonces, la idea aquí era usar un motor paso a paso NEMA 17 y en cuatro etapas con una relación de reducción de 2:1, hacer un total de una relación de reducción de 16:1. Los engranajes impulsores tienen 17 dientes y los engranajes conducidos tienen 34 dientes. El módulo de los engranajes es 1,5.

El reductor de engranajes rectos tenía un juego libre de alrededor de 2,5 mm en la salida a una distancia de 10 cm. O para ser un poco más preciso, utilicé el medidor de fuerza para aplicar una cantidad particular de fuerza en cada lado y capturar el desplazamiento en ese punto. Tomé como referencia una fuerza de 5N y la usaré también para el otro tipo de engranajes.

De esta forma conseguí un juego total en la barra de 4,4mm a una distancia de 10cm. Para expresar estas medidas en unidades de juego, minutos de arco, primero podemos calcular el ángulo de desplazamiento, alfa. Lo hacemos con la ayuda de algo de trigonometría simple y el ángulo resulta ser de alrededor de 2,52 grados. Un minuto de arco es 1/60 de grado. Entonces, el juego de esta caja de cambios recta es de alrededor de 151 minutos de arco. 

La caja de cambios helicoidal tenía un desplazamiento total de alrededor de 5,1 mm, o traducido a minutos de arco, es decir, 175 minutos de arco. 

La caja de cambios en espiga tenía un desplazamiento total de alrededor de 4,9 mm, o eso es alrededor de 168 minutos de arco de reacción. 

Ahora estos resultados resultaron opuestos a las primeras pruebas. Aquí, los engranajes rectos mostraron mejores resultados de juego que los otros dos tipos. Quiero decir, puedo decir algunas razones por las que esto es así. Podemos notar como los ejes de la caja de cambios tienen un pequeño desplazamiento cuando se aplica la fuerza, debido a que se apoyan solo en un lado, y eso afecta los resultados.

Otra cosa es que haya algo de juego entre los rodamientos y los engranajes. En realidad, es difícil imprimir piezas en 3D que encajen perfectamente con algunas piezas mecánicas. Intenté agregar un poco de cinta a los cojinetes para apretar ese espacio y reducir el juego.

Ayudó; Las marchas se volvieron más ajustadas, pero no hay garantía de que sean las mismas para cada marcha. Por supuesto, podemos hacer los agujeros para los rodamientos más pequeños y luego insertar el rodamiento en el engranaje con algo de fuerza, pero eso podría tener un efecto negativo en términos de eficiencia. No hay forma de que los dos rodamientos se coloquen exactamente en el mismo eje usando fuerza, y eso causará más resistencia cuando el engranaje gire.

Prueba nº4 – Eficiencia del reductor

De todos modos, para medir la eficiencia de la caja de cambios, medí cuánta fuerza o torque producirá la caja de cambios al mismo nivel de voltaje del motor paso a paso.

Con los engranajes rectos, obtuve una lectura máxima de alrededor de 32 N de fuerza. La lectura de fuerza máxima de la caja de cambios helicoidal fue de 28 N, y para los engranajes en espiga, de 30,4 N de fuerza. Estos resultados dicen que los engranajes rectos son el tipo más eficiente, pero nuevamente, todos están demasiado cerca.

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

A continuación, para probar la resistencia de los engranajes, uso mi medidor de fuerza para tirar hacia abajo una barra unida al engranaje a una distancia de 20 cm y ver cuándo se rompe el engranaje.

El engranaje recto se rompió con 190 N de fuerza, o eso es 38 Nm de torque. Eso es bastante, pero si miramos más de cerca el engranaje, podemos notar que no falló por el diente, sino por el interior o el relleno del engranaje.

Como imprimí cada equipo con los mismos filamentos y configuraciones de corte, obtuve resultados similares para cada tipo de equipo.

El engranaje helicoidal se rompió con una fuerza de 213 N, o 42,6 Nm, y el engranaje en espiga con una fuerza de 152 N, o 30,4 Nm de par. 

Entonces, para obtener resultados más significativos y descubrir cómo el tipo de engranaje afecta realmente la fuerza del engranaje, tuve que debilitar los dientes del engranaje. La fuerza del engranaje es directamente proporcional al ancho y al módulo del engranaje.  Entonces, imprimí en 3D nuevos engranajes con un módulo inferior de 2 y 12 mm de ancho.

También aumenté la distancia desde el eje de rotación a 30 cm, para que me resulte más fácil tirar hacia abajo.

Ahora el engranaje recto falló en los dientes, en lugar de romper todo el engranaje, con una fuerza de 116 N, o 34,8 Nm de torque.

Sin embargo, podemos notar aquí que los cuatro pernos que sujetan el engranaje fijo se doblaron un poco bajo la fuerza, por lo que la distancia central entre los engranajes aumentó un poco. Esto provocó que el contacto de carga estuviera en la parte superior de los dientes, lo que en realidad disminuyó la fuerza de los dientes, pero está bien, ya que el mismo escenario será para los otros tipos de engranajes, por lo que los resultados serán comparables.

El engranaje helicoidal falló con una fuerza de 112 N, o 34 Nm de torque, que es bastante similar al engranaje recto. 

Como era de esperar, el engranaje en espiga mostró el mejor resultado en esta prueba. Falló con una fuerza de 120 N, o 36 Nm de torque.

Entonces, la diferencia de fuerza entre los tres tipos de engranajes no es tan grande, pero aún así se puede notar. Podemos decir que el engranaje en espiga es el más fuerte.

De todos modos, los tres tipos de marchas están bastante cerca de los resultados. La única diferencia que realmente pude notar entre ellos fue en el reductor 16:1, y ese es el nivel de vibraciones.

Aunque, muy subjetivamente, sólo podía saber esto tocando la barra de salida cuando giraba a máxima velocidad. Los engranajes rectos tenían un nivel de vibración significativamente mayor. Los engranajes helicoidales y en espiga eran mucho más suaves.

Veredicto

Entonces, mi veredicto final sobre cuál es el mejor tipo de equipo cuando se trata de impresión 3D es el siguiente. Trate de evitar engranajes rectos, utilice engranajes en espiga siempre que sea posible y utilice rodamientos de bolas que puedan aceptar fuerzas axiales cuando utilice engranajes helicoidales. ¡Eso es todo!

¿Qué módulo para engranajes impresos en 3D?

Ahora veamos cómo el módulo afecta el rendimiento del engranaje. El módulo del engranaje define el tamaño de los dientes y del propio engranaje. Aquí imprimí engranajes en 3D con cinco módulos diferentes, del 1 al 2,5.

Los primeros en probarse son los engranajes con módulo de 1 y 50 dientes. Todos son engranajes en espiga y están impresos con la misma configuración. Los engranajes fallaron con una fuerza de 98,3 N o 29,5 Nm de par. Había dientes rotos en ambos engranajes.

A continuación se encuentran los engranajes con módulo de 1,25 y 40 dientes. Cambio el número de dientes para que el tamaño del engranaje cambie adecuadamente para que coincida con el banco de pruebas que tiene una distancia central fija entre los engranajes. Estos engranajes fallaron con una fuerza de 126 N o 37,8 Nm de par.

Los engranajes con módulo de 1,5 y 33 dientes fallaron con 108 N de fuerza o 32,4 Nm de par. Sin embargo, aquí hubo bastante desplazamiento en el engranaje fijo y la presión se movió hasta la parte superior de los dientes. Esto es así porque los pernos ya estaban doblados por las pruebas anteriores que estaba haciendo en este equipo, las pruebas de resistencia del material que veremos más adelante.

Este equipo es sólo para los engranajes con módulo de 1,5, ya que con este módulo pude obtener una distancia central de 49,5 mm, y con todos los demás módulos, 1, 1,25, 2 y 2,5, pude obtener una distancia central fija de 50 mm cambiando el número de dientes.

A continuación, los engranajes con módulo de 2 y 25 dientes se rompieron con 149N de fuerza, o 44,7Nm de par.

Los engranajes con módulo de 2,5 y 20 dientes fallaron con 121N de fuerza o 36,3Nm de torque. En realidad, aquí se rompió todo el engranaje en lugar de los dientes, porque, supongo, el relleno era del 30% en este engranaje. Imprimí en 3D otro engranaje con un 45 % de relleno y ese falló de manera similar, con una fuerza de 124 N.

Luego imprimí otro en 3D, esta vez con un 100% de relleno. Ahora no rompió todo el engranaje. Se rompió por los dientes, pero con exactamente la misma fuerza de 124 N.

Eso no tenía sentido, debería haber sido más fuerte, pero creo que el problema aquí fue que usé un carrete más antiguo del mismo filamento azul para este equipo. Eso puede marcar la diferencia dependiendo de qué tan viejo o húmedo estaba el filamento cuando se imprimió la impresora 3D. Además, cada marca de filamento PLA tiene una resistencia diferente, e incluso la misma marca pero de diferente color marca la diferencia en la resistencia del material. Por lo tanto, imprimí en 3D otro equipo con 100% de relleno, esta vez con el filamento Creality Hyper PLA. Ahora el engranaje se rompió por los dientes y con una fuerza de 156,4 N, o 47 Nm de par.

Entonces, para resumir estas pruebas, cuanto más grande es el módulo o los dientes de los engranajes, más fuertes son. Quiero decir, eso es obvio y lógico.

Lo mismo ocurre con el ancho del engranaje. Si queremos un engranaje más resistente, también podemos aumentar el ancho del engranaje.

El relleno del engranaje también contribuye a su resistencia. Recomiendo un mínimo de 35% de relleno cuando se imprimen engranajes en 3D, y hasta 100% de relleno si es necesario. Sin embargo, probablemente la configuración más importante sea el número de líneas de pared, que recomiendo que sea 5 o más.

¿Qué material es más resistente para los engranajes impresos en 3D?

Por último, descubramos qué material es el más resistente para los engranajes de impresión 3D. Para esta prueba utilizaré engranajes rectos con módulo de 1,5.

El primero en probar es el filamento PLA. Los engranajes se rompieron con una fuerza de 116,9 N o 35 Nm.

El siguiente conjunto de engranajes está impreso en filamento PLA-fibra de carbono de Creality. Estos engranajes fallaron 111N.

El siguiente es el filamento ABS. Éste falló con alrededor de 90 N de fuerza. Sin embargo, esto ocurrió de forma más gradual en comparación con el EPL. El ABS puede soportar cierta flexión o deformación antes de romperse, lo cual es una buena característica en algunos casos.

Luego, los engranajes de filamento ASA se rompieron con una fuerza de 120,9 N. El ASA se comportó como una combinación de PLA y ABS, eran tan fuertes como el PLA, incluso 4N más fuertes, pero todavía tenían un poco de flexión o deformación antes de romperse como el ABS.

A continuación, los engranajes de filamento PETG fallaron con una fuerza de 87,2 N. Este también tuvo un poco de deformación antes de romperse.

Por último, intenté imprimir los engranajes con Nylon o PA. Este material es el más difícil de imprimir, pero la Creality K1C logró imprimirlo.

Sin embargo, los resultados son realmente cama. Los engranajes fallaron con una fuerza de 66 N, pero no creo que esa sea la fuerza real de un filamento de nailon adecuado. Compré esto hace como un año de una fuente desconocida, es bastante malo.

En general, los resultados que obtuve de esta prueba fueron bastante precisos y coincidieron con esta tabla de propiedades de filamentos de Simplyfy3D.

Los engranajes PLA tenían la mayor resistencia, pero también la mayor rigidez. Por otro lado, los engranajes ASA muestran la misma resistencia que los PLA, aunque tienen menor rigidez, al igual que los ABS.

Durabilidad

Ahora, en cuanto a la durabilidad de los materiales, quería hacer una prueba de durabilidad con la configuración del reductor 16:1 y ver qué material es el más duradero para los engranajes impresos en 3D, pero no pude hacerlo.

Comencé a hacer las pruebas, pero los engranajes eran sorprendentemente buenos y no pude fallar la prueba incluso después de aproximadamente 1 hora de giro, incluso con una carga significativa en la barra de salida. La prueba fue demasiado ruidosa y mi estudio o taller actual no me permitió realizarla correctamente o durante el tiempo suficiente.

De todos modos, en el futuro intentaré realizar esta prueba de durabilidad y compartiré los resultados en la descripción de este vídeo y en el artículo del sitio web.

Por ahora, puede utilizar la tabla mencionada anteriormente como referencia porque también coincide con mis pruebas. También pondré un enlace en la descripción.

Espero que hayas disfrutado este tutorial y hayas aprendido algo nuevo