3D 打印齿轮：如何制作

魔猴君  知识堂   195天前

齿轮是机械组件中传递运动的最基本部件之一。它们的历史至少可以追溯到公元前 4 世纪的中国，如今在许多应用中都可以看到它们的身影，小到钟表，大到汽车变速箱。

虽然3D打印齿轮初看起来似乎并不直观，但它不仅是可行的，而且非常值得一试。虽然 3D 打印齿轮在本质上比金属和注塑齿轮要弱，但它们仍然适用于各种应用。不过，我们应该考虑到它们在材料和尺寸精度方面的局限性。

无论是新设计的项目还是部件更换，设计和 3D 打印齿轮总是一个不错的选择。在本文中，魔猴网将从齿轮的简短回顾开始，介绍一些重要的技巧。

齿轮介绍

齿轮很酷、很有用，显然也很有趣。但它们是如何工作的，又能实现什么功能呢？

齿轮的最基本形式是利用啮合齿在齿轮之间传递和转换旋转运动。尺寸相同的齿轮只是将旋转从一个齿轮中心传递到另一个齿轮中心，而尺寸不同的齿轮则可以改变速度和扭矩。

机械齿轮的最基本原理之一是，一个齿轮上的一个旋转齿与其配偶上的一个旋转齿相匹配。例如，一个 15 齿齿轮与一个 60 齿齿轮啮合。60:15 的比率相当于所谓的 4 齿轮比，即大齿轮每转动一圈，小齿轮就转动四圈。

60 齿齿轮的旋转速度较慢，因此可以获得更大的旋转力，即扭矩。在这种情况下，速度换来了力量，这只是齿轮如何组合以产生复杂机械相互作用的一个例子。

1、准备工作

您可以通过测试打印一些设计来检查您的牙齿可以有多小（来源：dpechter via Thingiverse）

为了成功地从零开始制作 3D 打印齿轮，强烈建议进行一些规划和测试。

首先，您需要明确自己的目标。这些零件将安装在哪里？使用时间是长还是短？在更换零件时，原始零件使用的是什么材料？所有这些方面都会影响到后续的设计和材料选择，因此从一开始就应加以考虑。

测试您的打印机

了解 3D 打印机在齿轮尺寸方面的限制非常重要。齿轮测试打印是一个很好的起点。检查精度，并记住使用与您计划用于最终齿轮的相同材料。

尺寸至关重要

知道了可以加工多小的尺寸后，还应该弄清楚可以加工多大的尺寸。在相同的传动比下，较大的齿轮允许较大的齿。更大的齿也更坚固，能更好地处理公差误差，并且更容易进行后期加工。

关于这一点，请注意齿面宽度，即齿轮平放在桌面上的 "高度"。通常使用各种经验法则来定义，宽度与齿轮强度直接相关，因此应充分考虑。

联轴器

最后，要考虑联轴器。这就是如何将齿轮连接到您将使用的任何轴上。由于轴通常由金属制成，尤其是在电机中，因此该接口在传递运动中起着重要作用，并且很可能成为设计中的故障点。

使用非圆形联轴器（如六角联轴器）以及滚珠轴承和其他装置支架是一个不错的选择。

2、设计

正齿轮的齿廓由渐开线圆构成（来源：Željko Kanović，来自 Research Gate）

3D 打印齿轮很容易制作原型，但能否良好运转在很大程度上取决于一些关键参数。现代齿轮设计是一门拥有百年历史的学科，其中涉及大量物理学知识。虽然有很多齿轮系统，但迄今为止，渐开线正齿轮是最常见的。

在设计经典大齿轮时，重要参数包括节圆直径、压力角、齿面宽度、中心距、模数等，不胜枚举。虽然我们不会在此讨论细节问题，但有很多在线资料和交互式工具可供使用。

不过，渐开线齿轮设计的最基本原则是两个齿之间的啮合面在一个点上。只有使用由圆的渐开线构成的特定齿形才能实现这一点，渐开线齿轮也因此而得名。

您可以使用 Fusion 360 插件轻松制作齿轮模型（来源：Lucas Carolo，来自 All3DP）

从零开始设计齿轮需要花一些时间学习齿轮参数和使用齿轮发生器等工具。不过，您可以使用 Fusion 360 的正齿轮插件等工具来解决这个问题，只需知道几个设计参数即可。否则，新项目的简单齿轮设计可以从 McMaster Carr、3DContentCentral 和 GrabCAD 等在线资源库中获取。

3、材料

3D 打印齿轮无法承受与金属或注塑齿轮相同的负载（来源：Maker's Muse via YouTube）

3D 打印齿轮永远不会像注塑成型或机械加工部件那样坚固耐用。不过，考虑到可用于 3D 打印的塑料种类繁多，3D 打印在很多应用中都可以胜任，甚至在功能上更胜一筹。

就耐用性而言，尼龙是首选，尤其是在无润滑的情况下操作。虽然三维打印相对困难，但尼龙具有制造耐用塑料齿轮所需的强度和柔韧性。您可以查看我们的尼龙丝指南，了解有关打印设置和最佳品牌的更多信息。

为了减少麻烦，PLA+ 或 ABS 等更常见的 3D 打印材料也是不错的选择。事实上，Maker's Muse YouTube 频道的 Angus 测试了几种材料的齿轮强度。他的结果表明，PLA+ 材料，尤其是 BASF Ultrafuse PLA Pro 1，出人意料地遥遥领先。不过要注意的是，所做的静态测试并不能评估耐久性。

4、3D 打印

正确的 3D 打印设置可以保证齿轮坚固且易于组装（来源：Fillamentum）

最后，是时候将您的齿轮实体化了。下面是一些有关 3D 打印的注意事项：

方向：面朝下打印齿轮。这种方向的层沉积方式将使齿轮更加坚固。

水平床：确保床面完全平整。在面朝下打印齿轮时，床面的任何不平整都会造成变形，可能会影响功能。

第一层高度：调整设置以获得最佳的第一层高度。如果喷嘴离床面太近，第一层就会被挤扁，并在齿上产生偏差，从而无法实现正确的啮合。另外，也可以考虑使用筏板。

打印异常：消除斑点、串联和过度挤出。这些齿面上的缺陷会导致齿轮啮合不良。

其他切片机设置：选择有利于零件强度的设置。例如，较高的喷嘴温度会使各层更好地粘合。

总结

齿轮相对容易 3D 打印，并且可以用于有趣或功能性的目的（来源：Brian Zweerink 的 Awesome Blog）

3D 打印齿轮非常可行，可以满足多种不同的用途。无论最终用途如何，我们都希望本指南能提供足够的信息，鼓励并帮助您制作这些经典的机械部件。

编译整理：ALL3DP