Domine as engrenagens de impressão 3D:dicas de especialistas e guia completo

Neste tutorial aprenderemos tudo o que precisamos saber sobre engrenagens de impressão 3D, dicas e truques que adquiri imprimindo algumas engrenagens em 3D e fazendo dezenas de testes com elas.

Você pode assistir ao vídeo a seguir ou ler o tutorial escrito abaixo.

Abordaremos qual tipo de engrenagem é mais adequada para impressão 3D, engrenagem reta, helicoidal ou espinha de peixe em termos de resistência, eficiência e folga.

Como o módulo da engrenagem afeta seu desempenho, como o preenchimento da impressão afeta a resistência da engrenagem e qual material é melhor para as engrenagens impressas em 3D.

Coloquei seis materiais diferentes nos testes, PLA, PLA-CF, ABS, PETG, ASA e Nylon. Veremos qual é o mais forte, fazendo testes de resistência até o fracasso.

Spur vs Helicoidal vs Herringbone Gears

Tudo bem, então primeiro vamos comparar os diferentes tipos de engrenagens, engrenagens de dentes retos, helicoidais e em espinha.

As engrenagens de dentes retos são o tipo mais simples de engrenagem, apresentando dentes retos montados paralelamente ao eixo da engrenagem. Os dentes das engrenagens helicoidais, por outro lado, são posicionados em um ângulo em relação ao eixo da engrenagem. As engrenagens em espinha são uma combinação de duas engrenagens helicoidais opostas com hélice direita e esquerda.

No mundo real ou na indústria, as engrenagens de dentes retos são geralmente a primeira escolha ao explorar a opção de engrenagens, porque são as mais fáceis e baratas de fabricar. Depois vêm as engrenagens helicoidais por serem mais difíceis e caras de fabricar. E, por último, as engrenagens em espinha são as mais complexas e caras de fabricar.

No entanto, no mundo da impressão 3D, fabricação ou impressão 3D, qualquer um desses três tipos de engrenagens é exatamente igual e tão simples quanto possível.

Uma impressora 3D pode imprimir facilmente qualquer perfil de dente e, camada por camada, formar a engrenagem. Portanto, nesta comparação não será levado em consideração o custo de fabricação, mas vamos dar uma olhada nas demais vantagens e desvantagens que cada tipo de engrenagem apresenta.

As engrenagens de dentes retos são o tipo de engrenagem mais eficiente porque têm a menor superfície de contato quando as engrenagens estão engatadas. A superfície de contato é uma linha reta e ocorre repentinamente a cada engate dos dentes.

Esse contato repentino, porém, é o lado negativo das engrenagens de dentes retos, pois causa carga de impacto nos dentes. Isso afeta a capacidade de carga e a durabilidade das engrenagens, além de resultar em aumento de ruído e vibração.

Por outro lado, as engrenagens helicoidais proporcionam uma operação mais suave e silenciosa, têm melhor capacidade de carga, maior vida útil e podem ser utilizadas em velocidades mais altas. Isso porque o contato entre os dentes engrenados ocorre gradativamente.

Começa como um ponto e gradualmente se torna uma linha, e então vive como um ponto. Além disso, em qualquer ponto, elas têm mais superfície de contato em comparação com as engrenagens de dentes retos. Podemos notar nesta demonstração que três ou dois dentes estão sempre envolvidos na transmissão de força, enquanto no caso de engrenagens de dentes retos, dois ou em algum momento apenas um dente suporta toda a carga.

No entanto, como a maioria das coisas na vida, todas essas características das engrenagens helicoidais têm um preço:a introdução da força axial devido aos dentes inclinados.

Dependendo do ângulo da hélice que varia de 15 a 25 graus, pode ocorrer uma força axial significativa que deve ser levada em consideração ao projetar o sistema de engrenagens. Podemos notar isso claramente neste teste.

À medida que aplico força radial à engrenagem, ocorre uma força axial que tende a mover a engrenagem para fora de seu lugar.

Para evitar essa força axial, existe a engrenagem em espinha que é basicamente duas engrenagens helicoidais opostas com hélice esquerda e direita.

Desta forma, as forças axiais que ocorrem se anulam, e assim temos todas as grandes características das engrenagens helicoidais sem qualquer força axial atuando nas engrenagens. Mas, novamente, temos outra desvantagem:a dificuldade na montagem do sistema de engrenagens. Com engrenagens de dentes retos e helicoidais, podemos simplesmente deslizar as engrenagens no lugar e elas começarão a engrenar, mesmo que uma delas esteja girando.

Com engrenagens em espinha, não podemos fazer isso. Devemos primeiro engrenar as engrenagens e depois colocá-las nos eixos ao mesmo tempo ou inserir os eixos posteriormente.

Projetando engrenagens

No entanto, agora vamos testar as engrenagens impressas em 3D e ver quais resultados obteremos de cada tipo.

Para projetar as engrenagens, usei o Onshape. Onshape é um sistema CAD e PDM de nível profissional e agora oferece até 6 meses gratuitos da versão profissional para engenheiros e suas empresas.

Podemos criar engrenagens facilmente com o FeatureScript personalizado chamado “Spur Gear”. Podemos escolher o módulo da engrenagem, número de dentes, largura da engrenagem, adicionar chanfro e furo central. Também podemos escolher a engrenagem para ser Helicoidal e escolher o ângulo da Hélice, e qual será a orientação da engrenagem, esquerda ou direita.

Para uma engrenagem em espinha, basta selecionar a opção “Double Helix”. Também existe a opção de adicionar deslocamento a todo o perfil da engrenagem, o que é muito útil quando se trata de impressão 3D.

Usei minha nova impressora 3D Creality K1C para imprimir todas as engrenagens deste vídeo. Ao imprimir engrenagens em 3D, ou qualquer outra coisa que desejamos que seja dimensionalmente precisa, precisamos usar o recurso Expansão Horizontal em nosso software de fatiamento.

Este recurso compensa a expansão do filamento e no meu caso usei um valor de -0,15mm, mas você deve fazer alguns testes de impressão para ver qual valor se adequará à sua impressora 3D.

Além disso, ao imprimir engrenagens em 3D, é particularmente importante evitar o efeito pé de elefante. Isso acontece quando o nivelamento da cama não está certo. O bico está muito próximo da base ao imprimir a primeira camada e, portanto, o material fica comprimido e as primeiras camadas da peça não são dimensionalmente precisas.

Isso afeta diretamente o desempenho das engrenagens. Para evitar isso, devemos ajustar o nivelamento do leito, ou no slicer ajustar o valor do deslocamento do Gcode. Claro que precisaremos fazer alguns testes de impressão para saber qual valor será adequado para nossa impressora. No meu caso foi um valor de 0,1 mm e as engrenagens saíram perfeitamente.

Há também outra maneira de evitar os efeitos do dente de elefante:imprimir as engrenagens com uma jangada embaixo da peça, mas novamente você precisa fazer impressões de teste para descobrir as configurações corretas. Caso não consiga acertar, você também pode chanfrar as bordas da engrenagem manualmente.

De qualquer forma, gostaria de agradecer à Creality por me fornecer esta impressora 3D. A Creality K1C é realmente uma ótima impressora 3D, um pacote completo com muitos recursos e ótima qualidade de impressão em altas velocidades. Confira em:loja Creality USA; Loja da UE; Amazônia.

Teste nº 1 – Nível de ruído e eficiência

Ok, agora vamos ver o desempenho das engrenagens. Esta é a primeira configuração de teste. Tenho um motor 12V DC no qual fixei uma engrenagem com 20 dentes e módulo de 2,5.  Esta engrenagem acionará outra engrenagem com o mesmo número de dentes, e a partir daqui podemos observar duas coisas, os níveis de ruído que as engrenagens irão produzir e sua eficiência. A tensão fornecida ao motor CC será a mesma para cada tipo de engrenagem, e assim podemos acompanhar o consumo de energia necessário para operar as engrenagens e assim sua eficiência.

Primeiro, as engrenagens de dentes retos produziram níveis de ruído em torno de 77dB e o consumo de energia foi de 5,36W a 5,61W. Em seguida, os níveis de ruído das engrenagens helicoidais ficaram em torno de 75dB e o consumo de energia de 5,61W a 5,85W. Por último, os níveis de ruído das engrenagens em espinha ficaram em torno de 74dB e o consumo de energia de 5,61W a 6,1W.

Então, os resultados que obtivemos coincidem com o que falamos anteriormente sobre cada tipo de equipamento. As engrenagens de dentes retos usam menos energia, o que significa que são do tipo mais eficiente, mas também as mais barulhentas. As engrenagens helicoidais e em espinha eram menos eficientes, mas mais silenciosas.

Teste nº 2 – Reação

A seguir, para testar a folga e a resistência das engrenagens, usaremos a seguinte configuração. Uma engrenagem será fixada com 4 parafusos e a outra poderá girar com dois rolamentos fixados a ela. As engrenagens possuem módulo de 2,5 e são todas impressas em 3D com as mesmas configurações. 

Primeiro, estou testando a folga ou quanta folga ou folga existe entre as duas engrenagens retas engrenadas. Houve uma folga total em ambas as direções de cerca de 2,5 mm a uma distância de 10 cm.

Em seguida, as engrenagens helicoidais apresentaram melhores resultados. Houve uma folga total em ambas as direções de cerca de 1,5 mm a 10 cm. E nas engrenagens em espinha houve uma folga total em ambas as direções de cerca de 1,8 mm a 10 cm.

Novamente, os resultados foram os esperados, pois as engrenagens retas tiveram maior folga em comparação às engrenagens helicoidais e espinha de peixe. 

No entanto, achei que esses testes eram simples demais para fazer uma comparação adequada, então decidi fazer outra configuração de teste. Fiz um redutor de quatro estágios, com relação de redução de 16:1, cenário mais comum para uso de engrenagens.

Teste nº 3 – Redutor de velocidade 16:1

Então, a ideia aqui foi usar um motor de passo NEMA 17, e em quatro estágios com relação de redução de 2:1, perfazer um total de relação de redução de 16:1. As engrenagens motrizes possuem 17 dentes e as engrenagens acionadas possuem 34 dentes. O módulo das engrenagens é 1,5.

O redutor de engrenagens retas tinha uma folga de cerca de 2,5 mm na saída a uma distância de 10 cm. Ou, para ser um pouco mais preciso, usei o medidor de força para aplicar uma determinada quantidade de força em cada lado e capturar o deslocamento naquele ponto. Tomei uma força de 5N como referência e vou usá-la também para os outros tipos de engrenagens.

Desta forma consegui uma folga total na barra de 4,4mm a uma distância de 10cm. Para expressar essas medidas em unidade de folga, minutos de arco, primeiro podemos calcular o ângulo de deslocamento, alfa. Fazemos isso com a ajuda de alguma trigonometria simples, e o ângulo fica em torno de 2,52 graus. Um minuto de arco equivale a 1/60 de grau. Portanto, a folga desta caixa de engrenagens de dentes retos é de cerca de 151 minutos de arco. 

A caixa de engrenagens helicoidal teve deslocamento total de cerca de 5,1 mm, ou traduzido em minutos de arco, ou seja, 175 minutos de arco. 

A caixa de câmbio em espinha teve deslocamento total de cerca de 4,9 mm, ou seja, cerca de 168 minutos de arco de folga. 

Agora esses resultados foram opostos aos primeiros testes. Aqui, as engrenagens de dentes retos apresentaram melhores resultados de folga do que os outros dois tipos. Quer dizer, posso dizer algumas razões pelas quais isso acontece. Podemos notar como os eixos da caixa de engrenagens apresentam um pequeno deslocamento quando a força é aplicada, pois ficam apoiados apenas em um lado, e isso afeta os resultados.

Outra coisa é que existe alguma folga entre os rolamentos e as engrenagens. Na verdade, é difícil imprimir peças em 3D que se encaixem perfeitamente em algumas peças mecânicas. Tentei adicionar um pouco de fita aos rolamentos para apertar a ponta e reduzir a folga.

Ajudou; as engrenagens ficaram mais apertadas, mas não há garantia de que serão iguais para cada marcha. Claro, podemos diminuir os furos para os rolamentos e depois inserir o rolamento na engrenagem com alguma força, mas isso pode ter um efeito negativo em termos de eficiência. Não há como os dois rolamentos serem colocados precisamente no mesmo eixo usando força, e isso causará mais resistência quando a engrenagem girar.

Teste nº 4 – Eficiência do Redutor

De qualquer forma, para medir a eficiência da caixa de câmbio, medi quanta força ou torque a caixa de câmbio produzirá no mesmo nível de tensão do motor de passo.

Com as engrenagens de dentes retos, obtive uma leitura máxima de cerca de 32N de força. A leitura de força máxima da caixa de engrenagens helicoidal foi de 28N, e para as engrenagens em espinha, de 30,4N de força. Esses resultados indicam que as engrenagens de dentes retos são o tipo mais eficiente, mas, novamente, estão muito próximas.

Qual tipo de equipamento impresso em 3D é mais forte?

A seguir, para testar a resistência das engrenagens, estou usando meu medidor de força para puxar para baixo uma barra presa à engrenagem a uma distância de 20 cm e ver quando a engrenagem irá quebrar.

A engrenagem reta quebrou com 190N de força, ou seja, 38Nm de torque. Isso é bastante, mas se olharmos mais de perto a engrenagem, podemos notar que ela não falhou por causa do dente, mas sim por causa do interior ou do preenchimento da engrenagem.

Como imprimi todas as engrenagens com as mesmas configurações de filamento e corte, obtive resultados semelhantes para cada tipo de engrenagem.

A engrenagem helicoidal quebrou com 213 N de força, ou 42,6 Nm, e a engrenagem em espinha com 152 N de força, ou 30,4 Nm de torque. 

Então, para obter resultados mais significativos e descobrir como o tipo de engrenagem realmente afeta a resistência da engrenagem, tive que enfraquecer os dentes da engrenagem. A resistência da engrenagem é diretamente proporcional à largura e ao módulo da engrenagem.  Então, imprimi em 3D novas engrenagens com módulo inferior de 2 e 12mm de largura.

Também aumentei a distância do eixo de rotação para 30cm, assim será mais fácil puxar para baixo.

Agora a engrenagem de dentes retos falhou nos dentes, em vez de quebrar toda a engrenagem, com uma força de 116N, ou 34,8Nm de torque.

Podemos notar aqui, porém, que os quatro parafusos que seguram a engrenagem fixa dobraram um pouco sob a força, e assim a distância central entre as engrenagens aumentou um pouco. Isso fez com que o contato da carga ficasse bem no topo dos dentes, o que na verdade diminuiu a resistência dos dentes, mas tudo bem, pois o mesmo cenário será para os outros tipos de engrenagens, e assim os resultados serão comparáveis.

A engrenagem helicoidal falhou com uma força de 112N, ou 34Nm de torque, que é bastante semelhante à engrenagem de dentes retos. 

A engrenagem espinha de peixe, como esperado, apresentou o melhor resultado neste teste. Ele falhou com uma força de 120N ou 36Nm de torque.

Então, a diferença de força entre os três tipos de engrenagens não é tão grande, mas ainda assim pode ser notada. Podemos dizer que a engrenagem em espinha é a mais forte.

De qualquer forma, todos os três tipos de marcha estão bastante próximos dos resultados. A única diferença que realmente pude notar entre eles foi no redutor 16:1, que é o nível de vibrações.

Embora, muito subjetivamente, eu só pudesse dizer isso tocando na barra de saída ao girar na velocidade máxima. As engrenagens de dentes retos apresentavam níveis de vibração significativamente mais elevados. As engrenagens helicoidais e em espinha eram muito mais suaves.

Veredicto

Portanto, meu veredicto final sobre qual é o melhor tipo de equipamento quando se trata de impressão 3D é o seguinte. Tente evitar engrenagens de dentes retos, use engrenagens em espinha sempre que possível e utilize rolamentos de esferas que possam aceitar forças axiais ao usar engrenagens helicoidais. É isso!

Qual módulo para engrenagens impressas em 3D?

Agora vamos ver como o módulo afeta o desempenho do equipamento. O módulo da engrenagem define o tamanho dos dentes e da própria engrenagem. Aqui imprimi engrenagens em 3D com cinco módulos diferentes, de 1 a 2,5.

As primeiras a serem testadas são as engrenagens com módulo de 1 e 50 dentes. São todas engrenagens em espinha e impressas com as mesmas configurações. As engrenagens falharam com 98,3 N de força ou 29,5 Nm de torque. Havia dentes quebrados em ambas as engrenagens.

Em seguida estão as engrenagens com módulo de 1,25 e 40 dentes. Eu mudo o número de dentes para que o tamanho da engrenagem mude adequadamente para corresponder ao equipamento de teste que fixou a distância central entre as engrenagens. Essas engrenagens falharam com 126N de força ou 37,8Nm de torque.

As engrenagens com módulo de 1,5 e 33 dentes falharam com 108N de força, ou 32,4Nm de torque. Porém, houve algum deslocamento aqui na engrenagem fixa, e a pressão foi movida para o topo dos dentes. Isso porque os parafusos já estavam dobrados nos testes anteriores que eu estava fazendo nesta plataforma, os testes de resistência do material que veremos mais tarde.

Este rig é apenas para as engrenagens com módulo de 1,5, pois com este módulo consegui uma distância central de 49,5mm, e com todos os outros módulos, 1, 1,25, 2 e 2,5, consegui obter uma distância central fixa de 50mm pela mudança do número dos dentes.

Em seguida, as engrenagens com módulo de 2 e 25 dentes quebraram a 149N de força, ou 44,7Nm de torque.

As engrenagens com módulo de 2,5 e 20 dentes falharam com 121N de força ou 36,3Nm de torque. Na verdade, aqui quebrou toda a engrenagem em vez dos dentes, porque, eu acho, o preenchimento foi de 30% nesta engrenagem. Imprimi em 3D outra engrenagem com 45% de preenchimento, e essa falhou de maneira semelhante, com uma força de 124N.

Depois imprimi outro em 3D, desta vez com 100% de preenchimento. Agora não quebrou todo o equipamento. Ele quebrou nos dentes, mas exatamente com a mesma força de 124N.

Isso não fazia sentido, deveria ter sido mais forte, mas acho que o problema aqui foi que usei um carretel mais antigo do mesmo filamento azul para este equipamento. Isso pode fazer a diferença dependendo da idade ou umidade do filamento quando da impressora 3D. Além disso, cada marca de filamento PLA tem resistência diferente, e até mesmo a mesma marca, mas com cores diferentes, faz diferença na resistência do material. Por isso, imprimi em 3D outro equipamento com 100% de preenchimento, desta vez com o filamento Creality Hyper PLA. Agora a engrenagem quebrou nos dentes e com uma força de 156,4N, ou 47Nm de torque.

Então, resumindo esses testes, quanto maior o módulo ou os dentes das engrenagens, mais resistentes elas são. Quero dizer, isso é óbvio e lógico.

O mesmo vale para a largura da engrenagem. Se quisermos uma engrenagem mais forte, também podemos aumentar a largura da engrenagem.

O preenchimento da engrenagem também contribui para a resistência da engrenagem. Eu recomendo um mínimo de 35% de preenchimento ao imprimir engrenagens em 3D e até 100% de preenchimento, se necessário. Porém, provavelmente a configuração mais importante é a contagem de linhas da parede, que recomendo ser 5 ou mais.

Qual material é mais resistente para engrenagens impressas em 3D?

Por último, vamos descobrir qual material é mais resistente para engrenagens de impressão 3D. Para este teste utilizarei engrenagens de dentes retos com módulo de 1,5.

O primeiro a ser testado é o filamento PLA. As engrenagens quebraram com uma força de 116,9N, ou 35Nm.

O próximo conjunto de equipamentos é impresso em filamento PLA-Fibra de Carbono da Creality. Essas engrenagens falharam 111N.

Em seguida, vem o filamento ABS. Este falhou com cerca de 90N de força. No entanto, isso aconteceu de forma mais gradual em comparação com o PLA. O ABS pode suportar alguma flexão ou deformação antes de quebrar, o que é um bom recurso para alguns casos.

Então, as engrenagens do filamento ASA quebraram com uma força de 120,9N. O ASA se comportou como uma combinação de PLA e ABS, eles eram tão fortes quanto o PLA, até 4N mais fortes, mas ainda apresentavam um pouco de flexão ou deformação antes de quebrar como o ABS.

Em seguida, as engrenagens do filamento PETG falharam com 87,2N de força. Este também teve um pouco de deformação antes de quebrar.

Por último, tentei imprimir as engrenagens com Nylon ou PA. Este material é o mais difícil de imprimir, mas a Creality K1C conseguiu imprimi-lo.

No entanto, os resultados são realmente bons. As engrenagens falharam com uma força de 66N, mas não acho que essa seja a força real de um filamento de nylon adequado. Eu comprei isso há um ano de uma fonte desconhecida, é muito ruim.

No geral, os resultados obtidos neste teste foram bastante precisos e corresponderam a esta tabela de propriedades de filamento do Simplyfy3D.

As engrenagens PLA tiveram a maior resistência, mas também a maior rigidez. Por outro lado, as engrenagens ASA apresentam a mesma resistência que o PLA, mas apresentam menor rigidez, assim como o ABS.

Durabilidade

Já quanto à durabilidade dos materiais, queria fazer um teste de durabilidade com a configuração do redutor 16:1, e ver qual material é mais durável para engrenagens impressas em 3D, mas não consegui.

Comecei a fazer os testes, mas as engrenagens estavam surpreendentemente boas, e não consegui falhar no teste mesmo depois de cerca de 1 hora girando, mesmo com uma carga significativa na barra de saída. O teste estava muito barulhento e meu estúdio ou workshop atual não me permitiu conduzi-lo adequadamente ou por tempo suficiente.

De qualquer forma, futuramente tentarei fazer esse teste de durabilidade, e compartilharei os resultados na descrição deste vídeo e no artigo do site.

Por enquanto, você pode usar a tabela mencionada acima como referência porque ela também corresponde aos meus testes. Vou colocar um link na descrição também.

Espero que você tenha gostado deste tutorial e aprendido algo novo