3D 打印齒輪：如何制作
魔猴君 知識(shí)堂 355天前
齒輪是機(jī)械組件中傳遞運(yùn)動(dòng)的最基本部件之一。它們的歷史至少可以追溯到公元前 4 世紀(jì)的中國(guó)，如今在許多應(yīng)用中都可以看到它們的身影，小到鐘表，大到汽車變速箱。
雖然3D打印齒輪初看起來(lái)似乎并不直觀，但它不僅是可行的，而且非常值得一試。雖然 3D 打印齒輪在本質(zhì)上比金屬和注塑齒輪要弱，但它們?nèi)匀贿m用于各種應(yīng)用。不過(guò)，我們應(yīng)該考慮到它們?cè)诓牧虾统叽缇确矫娴木窒扌浴?/span>
無(wú)論是新設(shè)計(jì)的項(xiàng)目還是部件更換，設(shè)計(jì)和 3D 打印齒輪總是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。在本文中，魔猴網(wǎng)將從齒輪的簡(jiǎn)短回顧開(kāi)始，介紹一些重要的技巧。
齒輪介紹
齒輪很酷、很有用，顯然也很有趣。但它們是如何工作的，又能實(shí)現(xiàn)什么功能呢？
齒輪的最基本形式是利用嚙合齒在齒輪之間傳遞和轉(zhuǎn)換旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。尺寸相同的齒輪只是將旋轉(zhuǎn)從一個(gè)齒輪中心傳遞到另一個(gè)齒輪中心，而尺寸不同的齒輪則可以改變速度和扭矩。
機(jī)械齒輪的最基本原理之一是，一個(gè)齒輪上的一個(gè)旋轉(zhuǎn)齒與其配偶上的一個(gè)旋轉(zhuǎn)齒相匹配。例如，一個(gè) 15 齒齒輪與一個(gè) 60 齒齒輪嚙合。60:15 的比率相當(dāng)于所謂的 4 齒輪比，即大齒輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，小齒輪就轉(zhuǎn)動(dòng)四圈。
60 齒齒輪的旋轉(zhuǎn)速度較慢，因此可以獲得更大的旋轉(zhuǎn)力，即扭矩。在這種情況下，速度換來(lái)了力量，這只是齒輪如何組合以產(chǎn)生復(fù)雜機(jī)械相互作用的一個(gè)例子。
1、準(zhǔn)備工作
您可以通過(guò)測(cè)試打印一些設(shè)計(jì)來(lái)檢查您的牙齒可以有多小（來(lái)源：dpechter via Thingiverse）
為了成功地從零開(kāi)始制作 3D 打印齒輪，強(qiáng)烈建議進(jìn)行一些規(guī)劃和測(cè)試。
首先，您需要明確自己的目標(biāo)。這些零件將安裝在哪里？使用時(shí)間是長(zhǎng)還是短？在更換零件時(shí)，原始零件使用的是什么材料？所有這些方面都會(huì)影響到后續(xù)的設(shè)計(jì)和材料選擇，因此從一開(kāi)始就應(yīng)加以考慮。
測(cè)試您的打印機(jī)
了解 3D 打印機(jī)在齒輪尺寸方面的限制非常重要。齒輪測(cè)試打印是一個(gè)很好的起點(diǎn)。檢查精度，并記住使用與您計(jì)劃用于最終齒輪的相同材料。
尺寸至關(guān)重要
知道了可以加工多小的尺寸后，還應(yīng)該弄清楚可以加工多大的尺寸。在相同的傳動(dòng)比下，較大的齒輪允許較大的齒。更大的齒也更堅(jiān)固，能更好地處理公差誤差，并且更容易進(jìn)行后期加工。
關(guān)于這一點(diǎn)，請(qǐng)注意齒面寬度，即齒輪平放在桌面上的 "高度"。通常使用各種經(jīng)驗(yàn)法則來(lái)定義，寬度與齒輪強(qiáng)度直接相關(guān)，因此應(yīng)充分考慮。
聯(lián)軸器
最后，要考慮聯(lián)軸器。這就是如何將齒輪連接到您將使用的任何軸上。由于軸通常由金屬制成，尤其是在電機(jī)中，因此該接口在傳遞運(yùn)動(dòng)中起著重要作用，并且很可能成為設(shè)計(jì)中的故障點(diǎn)。
使用非圓形聯(lián)軸器（如六角聯(lián)軸器）以及滾珠軸承和其他裝置支架是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。
2、設(shè)計(jì)
正齒輪的齒廓由漸開(kāi)線圓構(gòu)成（來(lái)源：?eljko Kanovi?，來(lái)自 Research Gate）
3D 打印齒輪很容易制作原型，但能否良好運(yùn)轉(zhuǎn)在很大程度上取決于一些關(guān)鍵參數(shù)?，F(xiàn)代齒輪設(shè)計(jì)是一門(mén)擁有百年歷史的學(xué)科，其中涉及大量物理學(xué)知識(shí)。雖然有很多齒輪系統(tǒng)，但迄今為止，漸開(kāi)線正齒輪是最常見(jiàn)的。
在設(shè)計(jì)經(jīng)典大齒輪時(shí)，重要參數(shù)包括節(jié)圓直徑、壓力角、齒面寬度、中心距、模數(shù)等，不勝枚舉。雖然我們不會(huì)在此討論細(xì)節(jié)問(wèn)題，但有很多在線資料和交互式工具可供使用。
不過(guò)，漸開(kāi)線齒輪設(shè)計(jì)的最基本原則是兩個(gè)齒之間的嚙合面在一個(gè)點(diǎn)上。只有使用由圓的漸開(kāi)線構(gòu)成的特定齒形才能實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，漸開(kāi)線齒輪也因此而得名。
您可以使用 Fusion 360 插件輕松制作齒輪模型（來(lái)源：Lucas Carolo，來(lái)自 All3DP）
從零開(kāi)始設(shè)計(jì)齒輪需要花一些時(shí)間學(xué)習(xí)齒輪參數(shù)和使用齒輪發(fā)生器等工具。不過(guò)，您可以使用 Fusion 360 的正齒輪插件等工具來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，只需知道幾個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)即可。否則，新項(xiàng)目的簡(jiǎn)單齒輪設(shè)計(jì)可以從 McMaster Carr、3DContentCentral 和 GrabCAD 等在線資源庫(kù)中獲取。
3、材料
3D 打印齒輪無(wú)法承受與金屬或注塑齒輪相同的負(fù)載（來(lái)源：Maker's Muse via YouTube）
3D 打印齒輪永遠(yuǎn)不會(huì)像注塑成型或機(jī)械加工部件那樣堅(jiān)固耐用。不過(guò)，考慮到可用于 3D 打印的塑料種類繁多，3D 打印在很多應(yīng)用中都可以勝任，甚至在功能上更勝一籌。
就耐用性而言，尼龍是首選，尤其是在無(wú)潤(rùn)滑的情況下操作。雖然三維打印相對(duì)困難，但尼龍具有制造耐用塑料齒輪所需的強(qiáng)度和柔韌性。您可以查看我們的尼龍絲指南，了解有關(guān)打印設(shè)置和最佳品牌的更多信息。
為了減少麻煩，PLA+ 或 ABS 等更常見(jiàn)的 3D 打印材料也是不錯(cuò)的選擇。事實(shí)上，Maker's Muse YouTube 頻道的 Angus 測(cè)試了幾種材料的齒輪強(qiáng)度。他的結(jié)果表明，PLA+ 材料，尤其是 BASF Ultrafuse PLA Pro 1，出人意料地遙遙領(lǐng)先。不過(guò)要注意的是，所做的靜態(tài)測(cè)試并不能評(píng)估耐久性。
4、3D 打印
正確的 3D 打印設(shè)置可以保證齒輪堅(jiān)固且易于組裝（來(lái)源：Fillamentum）
最后，是時(shí)候?qū)⒛凝X輪實(shí)體化了。下面是一些有關(guān) 3D 打印的注意事項(xiàng)：
方向：面朝下打印齒輪。這種方向的層沉積方式將使齒輪更加堅(jiān)固。
水平床：確保床面完全平整。在面朝下打印齒輪時(shí)，床面的任何不平整都會(huì)造成變形，可能會(huì)影響功能。
第一層高度：調(diào)整設(shè)置以獲得最佳的第一層高度。如果噴嘴離床面太近，第一層就會(huì)被擠扁，并在齒上產(chǎn)生偏差，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)正確的嚙合。另外，也可以考慮使用筏板。
打印異常：消除斑點(diǎn)、串聯(lián)和過(guò)度擠出。這些齒面上的缺陷會(huì)導(dǎo)致齒輪嚙合不良。
其他切片機(jī)設(shè)置：選擇有利于零件強(qiáng)度的設(shè)置。例如，較高的噴嘴溫度會(huì)使各層更好地粘合。
總結(jié)
齒輪相對(duì)容易 3D 打印，并且可以用于有趣或功能性的目的（來(lái)源：Brian Zweerink 的 Awesome Blog）
3D 打印齒輪非?？尚校梢詽M足多種不同的用途。無(wú)論最終用途如何，我們都希望本指南能提供足夠的信息，鼓勵(lì)并幫助您制作這些經(jīng)典的機(jī)械部件。
編譯整理：ALL3DP
