3D 打印齒輪：如何制作

魔猴君  知識堂   351天前

齒輪是機械組件中傳遞運動的最基本部件之一。它們的歷史至少可以追溯到公元前 4 世紀的中國，如今在許多應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 打印齒輪在本質上比金屬和注塑齒輪要弱，但它們仍然適用于各種應用。不過，我們應該考慮到它們在材料和尺寸精度方面的局限性。

無論是新設計的項目還是部件更換，設計和 3D 打印齒輪總是一個不錯的選擇。在本文中，魔猴網將從齒輪的簡短回顧開始，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，又能實現什么功能呢？

齒輪的最基本形式是利用嚙合齒在齒輪之間傳遞和轉換旋轉運動。尺寸相同的齒輪只是將旋轉從一個齒輪中心傳遞到另一個齒輪中心，而尺寸不同的齒輪則可以改變速度和扭矩。

機械齒輪的最基本原理之一是，一個齒輪上的一個旋轉齒與其配偶上的一個旋轉齒相匹配。例如，一個 15 齒齒輪與一個 60 齒齒輪嚙合。60:15 的比率相當于所謂的 4 齒輪比，即大齒輪每轉動一圈，小齒輪就轉動四圈。

60 齒齒輪的旋轉速度較慢，因此可以獲得更大的旋轉力，即扭矩。在這種情況下，速度換來了力量，這只是齒輪如何組合以產生復雜機械相互作用的一個例子。

1、準備工作

您可以通過測試打印一些設計來檢查您的牙齒可以有多小（來源：dpechter via Thingiverse）

為了成功地從零開始制作 3D 打印齒輪，強烈建議進行一些規劃和測試。

首先，您需要明確自己的目標。這些零件將安裝在哪里？使用時間是長還是短？在更換零件時，原始零件使用的是什么材料？所有這些方面都會影響到后續的設計和材料選擇，因此從一開始就應加以考慮。

測試您的打印機

了解 3D 打印機在齒輪尺寸方面的限制非常重要。齒輪測試打印是一個很好的起點。檢查精度，并記住使用與您計劃用于最終齒輪的相同材料。

尺寸至關重要

知道了可以加工多小的尺寸后，還應該弄清楚可以加工多大的尺寸。在相同的傳動比下，較大的齒輪允許較大的齒。更大的齒也更堅固，能更好地處理公差誤差，并且更容易進行后期加工。

關于這一點，請注意齒面寬度，即齒輪平放在桌面上的 "高度"。通常使用各種經驗法則來定義，寬度與齒輪強度直接相關，因此應充分考慮。

聯軸器

最后，要考慮聯軸器。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，尤其是在電機中，因此該接口在傳遞運動中起著重要作用，并且很可能成為設計中的故障點。

使用非圓形聯軸器（如六角聯軸器）以及滾珠軸承和其他裝置支架是一個不錯的選擇。

2、設計

正齒輪的齒廓由漸開線圓構成（來源：?eljko Kanovi?，來自 Research Gate）

3D 打印齒輪很容易制作原型，但能否良好運轉在很大程度上取決于一些關鍵參數。現代齒輪設計是一門擁有百年歷史的學科，其中涉及大量物理學知識。雖然有很多齒輪系統，但迄今為止，漸開線正齒輪是最常見的。

在設計經典大齒輪時，重要參數包括節圓直徑、壓力角、齒面寬度、中心距、模數等，不勝枚舉。雖然我們不會在此討論細節問題，但有很多在線資料和交互式工具可供使用。

不過，漸開線齒輪設計的最基本原則是兩個齒之間的嚙合面在一個點上。只有使用由圓的漸開線構成的特定齒形才能實現這一點，漸開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（來源：Lucas Carolo，來自 All3DP）

從零開始設計齒輪需要花一些時間學習齒輪參數和使用齒輪發生器等工具。不過，您可以使用 Fusion 360 的正齒輪插件等工具來解決這個問題，只需知道幾個設計參數即可。否則，新項目的簡單齒輪設計可以從 McMaster Carr、3DContentCentral 和 GrabCAD 等在線資源庫中獲取。

3、材料

3D 打印齒輪無法承受與金屬或注塑齒輪相同的負載（來源：Maker's Muse via YouTube）

3D 打印齒輪永遠不會像注塑成型或機械加工部件那樣堅固耐用。不過，考慮到可用于 3D 打印的塑料種類繁多，3D 打印在很多應用中都可以勝任，甚至在功能上更勝一籌。

就耐用性而言，尼龍是首選，尤其是在無潤滑的情況下操作。雖然三維打印相對困難，但尼龍具有制造耐用塑料齒輪所需的強度和柔韌性。您可以查看我們的尼龍絲指南，了解有關打印設置和最佳品牌的更多信息。

為了減少麻煩，PLA+ 或 ABS 等更常見的 3D 打印材料也是不錯的選擇。事實上，Maker's Muse YouTube 頻道的 Angus 測試了幾種材料的齒輪強度。他的結果表明，PLA+ 材料，尤其是 BASF Ultrafuse PLA Pro 1，出人意料地遙遙領先。不過要注意的是，所做的靜態測試并不能評估耐久性。

4、3D 打印

正確的 3D 打印設置可以保證齒輪堅固且易于組裝（來源：Fillamentum）

最后，是時候將您的齒輪實體化了。下面是一些有關 3D 打印的注意事項：

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固。

水平床：確保床面完全平整。在面朝下打印齒輪時，床面的任何不平整都會造成變形，可能會影響功能。

第一層高度：調整設置以獲得最佳的第一層高度。如果噴嘴離床面太近，第一層就會被擠扁，并在齒上產生偏差，從而無法實現正確的嚙合。另外，也可以考慮使用筏板。

打印異常：消除斑點、串聯和過度擠出。這些齒面上的缺陷會導致齒輪嚙合不良。

其他切片機設置：選擇有利于零件強度的設置。例如，較高的噴嘴溫度會使各層更好地粘合。

總結

齒輪相對容易 3D 打印，并且可以用于有趣或功能性的目的（來源：Brian Zweerink 的 Awesome Blog）

3D 打印齒輪非常可行，可以滿足多種不同的用途。無論最終用途如何，我們都希望本指南能提供足夠的信息，鼓勵并幫助您制作這些經典的機械部件。

編譯整理：ALL3DP