Si bien la estética de los objetos impresos en 3D es uno de los puntos fuertes de la tecnología de impresión 3D, no es imposible hacer objetos completamente funcionales también. Tendrás que ser más exacto con tus ajustes para hacer impresiones fiables y funcionales, pero puedes hacerlas incluso con filamentos simples como el PLA.
Los engranajes son algunos de los modelos más básicos que puede imprimir para que sean funcionales. Para un aprendizaje máximo, sugerimos aprender a diseñarlos usted mismo. Los engranajes impresos en 3D son excelentes para ejercitar sus habilidades de modelado e impresión 3D para obtener impresiones funcionales.
Algunos conceptos clave para entender
Antes de lanzarse de cabeza al proceso de diseño de engranajes, analicemos primero algunos conceptos relevantes. Los engranajes son excelentes juguetes porque se ven simples, pero es muy divertido jugar con ellos. Un conjunto de engranajes también es una excelente manera de aprender algunos conceptos esenciales de la física.
Hay dos parámetros en el diseño de cualquier engranaje individual: su paso y el número de dientes. El ‘número de dientes’ se explica por sí mismo. El paso de un engranaje se refiere al número de dientes de un engranaje con un diámetro de 1 pulgada. Un engranaje puede tener un número impar de dientes, como 11 o 21. Es mucho más importante que los dientes de un engranaje encajen perfectamente con los de los otros engranajes del conjunto.
Probablemente esté familiarizado con la apariencia de un conjunto de engranajes formado por engranajes de diferentes tamaños. Un conjunto de engranajes permite que el movimiento de rotación de un engranaje se transmita a través del conjunto y produzca movimiento en otros engranajes. En algunos casos, el ensamblaje puede crear rotación a lo largo de otro eje o incluso traducirse en movimiento lineal.
Un concepto principal en los engranajes es la conservación del momento angular. Este es un producto tanto del radio del engranaje como de la velocidad a la que gira. Este impulso se transfiere casi perfectamente de una marcha a la siguiente, salvo pérdidas por fricción. Por lo tanto, un engranaje grande que gira a baja velocidad puede hacer que un engranaje más pequeño gire mucho más rápido.
El escenario más común en los conjuntos de engranajes es que la fuerza de entrada hace girar un engranaje pequeño rápidamente. Esto se traduce en un engranaje más grande que gira lentamente pero aún tiene un par mayor. Este mecanismo permite que los conjuntos de engranajes giren objetos grandes o levanten objetos pesados con solo una pequeña aplicación de fuerza.
Esta traducción de fuerza se puede estimar utilizando la relación de transmisión de cualquier par de engranajes en particular. Esta es una relación que compara el número de dientes de dos engranajes. Por ejemplo, un engranaje de 6 dientes que gira un engranaje de 30 dientes produce una relación de transmisión de 5.
Como veremos más adelante, estos parámetros jugarán un papel importante en el diseño de un engranaje para la impresión 3D.
Consejos de diseño para engranajes impresos en 3D
El nailon es el mejor material.
Si bien nada le impide imprimir sus engranajes en 3D en PLA o ABS, descubrimos que Nylon produce los mejores resultados. El nailon es resistente y lo suficientemente flexible como para soportar el desgaste, pero aun así proporciona una buena transferencia de fuerza. También tiene un alto punto de fusión para soportar la deformación por calentamiento debido a la fricción.
Una característica única del nailon es que tiene un coeficiente de fricción bastante bajo. Esto es importante en engranajes de plástico donde encontrar un lubricante compatible puede ser bastante difícil. Si tiene que usar un lubricante, le sugerimos que use uno a base de silicona.
PETG puede ser aclamado como uno de los mejores materiales de impresión 3D, pero no lo recomendamos para engranajes. PETG es más flexible que ABS o PLA. Esta no es una característica que estamos buscando en este escenario. Los materiales flexibles crean una transferencia de fuerza deficiente, lo que hace que un conjunto de engranajes sea mucho menos eficiente.
Mas grande es mejor
Si ha estado imprimiendo en FDM, probablemente ya conozca el dolor de la impresión 3D de piezas muy pequeñas. Al principio, es una buena idea ser realista sobre lo que puede lograr su impresora 3D. No diseñe engranajes con valores de paso de menos de una pulgada, para no terminar con errores difíciles de controlar.
Este consejo también es válido para el diseño de dientes de engranajes. Diseñar su engranaje con más dientes proporciona un movimiento giratorio más suave, pero también requerirá que imprima en 3D dientes más pequeños. No todas las impresoras 3D pueden estar equipadas para esto. Este modelo gratuito debería ayudarlo a determinar el tamaño mínimo de los dientes de engranaje que su impresora puede manejar.
Establecimiento de límites en el número de dientes del engranaje
Al diseñar un engranaje, debe determinar la cantidad máxima y mínima de dientes que puede manejar su impresora 3D. Este modelo de prueba lo ayudará a verificar las capacidades de su impresora 3D desde valores de paso de 12 hasta 48.
Reducir el número de dientes y usar dientes más grandes en los engranajes parece una solución sencilla. Los dientes más grandes son más fuertes y más fáciles de imprimir. Sin embargo, también producen una mala transferencia de par. Si necesita que su conjunto de engranajes sea eficiente, deberá lograr un buen equilibrio entre el paso y el tamaño de los dientes del engranaje.
Establecer una relación de transmisión máxima de 1:4
Una buena manera de establecer un límite en el tamaño de sus engranajes es imponer una relación de transmisión máxima de 1 a 4. Si necesita que su ensamblaje tenga una relación de transmisión más alta, le sugerimos dividirlos en varios engranajes más pequeños.
¿Dientes triangulares o dientes involuntarios?
La forma más simple para los dientes de un engranaje es un triángulo. Siempre que use triángulos con tamaños idénticos, no debería tener problemas para hacer coincidir pares de engranajes. Sin embargo, los triángulos tienen una baja eficiencia en términos de transferencia de par y tienden a ser bastante ruidosos.
La forma de engranaje más común es la del círculo involuto. Los engranajes envolventes son un poco más difíciles de diseñar pero se consideran muy eficientes. Esta eficiencia excepcional es posible gracias al diseño del engranaje envolvente que tiene como objetivo tener un solo punto de contacto entre los engranajes cuando giran uno al lado del otro.
Imprimir con un relleno sólido
Los engranajes pueden sufrir mucho estrés mecánico durante la operación. Esto no es un buen augurio para los engranajes impresos en 3D, ya que no son muy conocidos por su durabilidad. Lo mejor que puede hacer es retrasar la aparición inevitable del desgaste imprimiendo sus engranajes de la forma más sólida posible.
Habilitar el 100% de relleno le da a tus engranajes un poco de fuerza extra. Tener más material en el espacio interno también reduce la deformación, lo que resulta en una mejor transferencia de torsión.
No hagas que tus dientes sean perfectamente divisibles
Puede parecer intuitivo diseñar pares de engranajes para que tengan una cantidad de dientes que sean múltiplos entre sí. Por ejemplo, un engranaje con 12 dientes puede emparejarse con otro engranaje con 24 dientes, creando una relación perfecta de 1:2.
Sin embargo, se considera un buen diseño usar 25 dientes en su lugar. 25 puede no ser perfectamente divisible por 12, pero esto también significa que el mismo juego de dientes no se juntará en cada revolución. Este pequeño cambio de diseño ralentiza sustancialmente el desgaste de los dientes del engranaje.
Espere algo de procesamiento posterior
La impresión FDM no es exactamente conocida por superficies perfectamente lisas, por lo que es probable que deba realizar un poco de procesamiento posterior en sus engranajes impresos en 3D. Entre las tareas se encuentran alisar los dientes de los engranajes o taladrar los orificios centrales para que se ajusten a su ensamblaje. Tenga en cuenta que necesita que estos engranajes encajen perfectamente entre sí tanto para una transferencia de carga eficiente como para evitar el desgaste acelerado.
Lo mejor de un conjunto de engranajes impreso en 3D es que puede imprimir engranajes de repuesto según sea necesario. A diferencia de las piezas de metal, los engranajes impresos en 3D son lo suficientemente baratos como para que no te sientas mal si no resultan perfectos.
Para ir finalizando
Los engranajes pueden ser un proyecto muy interesante para su impresora 3D. Aparentemente simples, los engranajes se benefician enormemente de la impresión 3D de alta precisión. Si desea perfeccionar aún más sus habilidades, le recomendamos que aprenda a modelar y diseñar engranajes desde cero.
Si no sabe muy bien por dónde empezar, puede intentar imprimir modelos prefabricados en 3D, como estos dos conjuntos de engranajes simples. Preste atención a la forma de los dientes del engranaje y cómo funciona la transferencia de par. Con un poco de práctica, eventualmente podrá crear diseños de conjuntos de engranajes que sean mucho más complejos.
Advertencia; Las impresoras 3D nunca deben dejarse desatendidas. Pueden representar un peligro de seguridad contra incendios.