掌握 3D 打印齿轮：专家提示和完整指南

在本教程中，我们将学习有关 3D 打印齿轮的所有知识以及我通过 3D 打印相当多的齿轮并对其进行数十次测试而获得的技巧和窍门。

您可以观看以下视频或阅读下面的书面教程。

我们将介绍哪种类型的齿轮在强度、效率和齿隙方面最适合 3D 打印：正齿轮、斜齿轮或人字齿轮。

齿轮的模数如何影响其性能、打印的填充如何影响齿轮的强度以及什么材料最适合 3D 打印齿轮。

我测试了六种不同的材料：PLA、PLA-CF、ABS、PETG、ASA 和尼龙。我们将通过进行失败的强度测试来看看哪一个是最强的。

直齿轮、斜齿轮、人字齿轮

好吧，首先我们来比较一下不同类型的齿轮，正齿轮、斜齿轮和人字齿轮。

正齿轮是最简单的齿轮类型，具有平行于齿轮轴线安装的直齿。另一方面，斜齿轮的齿相对于齿轮的轴线成一定角度。人字齿轮是两个具有左右螺旋线的相反斜齿轮的组合。

在现实世界或工业中，在探索齿轮选项时，正齿轮通常是首选，因为它们制造起来最简单且最便宜。其次，斜齿轮的制造更加困难且昂贵。最后，人字齿轮制造起来最复杂、最昂贵。

然而，在 3D 打印领域，制造或制作或 3D 打印这三种类型的齿轮中的任何一种都是完全相同的，而且非常简单。

3D打印机可以轻松打印任何齿形并逐层打印，形成齿轮。因此，在本次比较中，不考虑制造成本，但让我们看看每种齿轮类型的其他优缺点。

正齿轮是最有效的齿轮类型，因为它们在齿轮啮合时具有最少的接触面。接触面是一条直线，并且随着每个齿的啮合而突然出现。

然而，这种突然的接触对正齿轮来说是不利的一面，因为它会对齿造成冲击载荷。这会影响齿轮的负载能力和耐用性，并导致噪音和振动增加。

另一方面，斜齿轮提供更平稳和更安静的运行，具有更好的承载能力、更长的寿命并且可以在更高的速度下使用。这是因为啮合齿之间的接触是逐渐发生的。

它从一个点开始，逐渐变成一条线，然后作为一个点而存在。最重要的是，在任何给定点，与正齿轮相比，它们具有更多的接触面。从这个演示中我们可以注意到，三个或两个齿始终参与动力传输，而对于正齿轮，两个或在某些时候只有一个齿承载整个负载。

然而，就像生活中的大多数事物一样，斜齿轮的所有这些功能都是有代价的，那就是由于斜齿而引入的轴向力。

根据 15 至 25 度的螺旋角，可能会产生很大的轴向力，在设计齿轮系统时必须考虑到这一点。从这次测试中我们可以清楚地注意到这一点。

当我向齿轮施加径向力时，会产生轴向力，该力往往会将齿轮移出其位置。

为了避免这种轴向力，出现了人字齿轮，它基本上是两个具有左右螺旋线的相对斜齿轮。

通过这种方式，产生的轴向力相互抵消，因此我们拥有斜齿轮的所有出色功能，而无需任何轴向力作用在齿轮上。但话又说回来，我们还有另一个缺点，那就是齿轮系统的组装困难。对于正齿轮和斜齿轮，我们只需将齿轮滑入到位，它们就会开始啮合，即使其中一个正在旋转。

对于人字齿轮，我们无法做到这一点。我们应该先将齿轮啮合，然后将它们同时放在轴上或之后插入轴。

设计齿轮

尽管如此，现在让我们对 3D 打印齿轮进行测试，看看每种类型会得到什么结果。

为了设计齿轮，我使用了 Onshape。 Onshape 是专业级 CAD 和 PDM 系统，他们现在向工程师及其公司提供长达 6 个月的免费专业版本。

我们可以使用名为“Spur Gear”的自定义FeatureScript轻松创建齿轮。我们可以选择齿轮的模数、齿数、齿轮宽度、添加倒角和中心孔。我们还可以选择螺旋齿轮并选择螺旋角，以及齿轮的方向，左还是右。

对于人字齿轮，我们只需要选择“双螺旋”选项。还有一个选项可以为整个齿轮轮廓添加偏移，这在 3D 打印方面非常有用。

我使用我的新 Creality K1C 3D 打印机打印了该视频的所有齿轮。当 3D 打印齿轮或任何其他我们想要尺寸精确的东西时，我们需要使用切片软件中的水平扩展功能。

此功能补偿了灯丝的膨胀，在我的例子中，我使用了 -0.15mm 的值，但您应该进行一些测试打印，看看什么值适合您的 3D 打印机。

另外，在3D打印齿轮时，避免象脚效应尤为重要。当床调平不正确时就会发生这种情况。打印第一层时，喷嘴距离床太近，因此材料会受到压缩，导致零件前几层尺寸不准确。

这直接影响齿轮的性能。为了避免这种情况，我们应该调整床层调平，或者在切片器中调整Gcode偏移值。当然，我们需要进行一些测试打印，以确定什么值适合我们的打印机。在我的例子中，该值为 0.1 毫米，因此齿轮效果非常完美。

还有另一种方法可以避免象牙效应，那就是在零件下方打印带有筏的齿轮，但同样您需要进行测试打印以找出正确的设置。如果无法正确处理，您还可以手动对齿轮边缘进行倒角。

不管怎样，我要感谢 Creality 为我提供了这台 3D 打印机。 Creality K1C 确实是一款出色的 3D 打印机，它是一个完整的套件，具有大量功能和高速打印质量。请前往：Creality USA 商店查看；欧盟商店；亚马逊。

测试 1 – 噪音水平和效率

好的，现在让我们看看齿轮的表现如何。这是第一个测试设置。我有一个 12V 直流电机，在上面安装了一个 20 齿、模数为 2.5 的齿轮。  该齿轮将驱动另一个具有相同齿数的齿轮，从这里我们可以观察到两件事：齿轮产生的噪音水平及其效率。对于每种齿轮类型，提供给直流电机的电压都是相同的，因此我们可以跟踪运行齿轮所需的功耗及其效率。

首先，正齿轮产生的噪音约为77dB，功耗为5.36W至5.61W。其次，斜齿轮噪音水平在75dB左右，功耗从5.61W降至5.85W。最后，人字齿轮噪音水平在74dB左右，功耗从5.61W到6.1W。

因此，我们得到的结果与我们之前讨论的每种齿轮类型相匹配。正齿轮使用的功率最少，这意味着它们是最高效的类型，但也是噪音最大的。斜齿轮和人字齿轮效率较低，但更安静。

测试 2 – 间隙

接下来，为了测试齿轮的齿隙和强度，我们将使用以下设置。一个齿轮将用 4 个螺栓固定，另一个齿轮将能够通过连接在其上的两个轴承旋转。齿轮的模数为 2.5，并且全部采用相同的设置进行 3D 打印。 

首先，我正在测试齿隙或两个啮合正齿轮之间的间隙或间隙。距离 10cm 时，两个方向的总游隙约为 2.5mm。

接下来，斜齿轮显示出更好的结果。 10 厘米处两个方向上的总游隙约为 1.5 毫米。人字齿轮在 10 厘米处的两个方向上的总游隙约为 1.8 毫米。

结果再次符合预期，与斜齿轮和人字齿轮相比，正齿轮具有更大的齿隙。 

然而，我觉得这些测试太简单了，无法进行适当的比较，所以我决定再做一个测试设置。我做了一个四级齿轮减速机，减速比为16：1，这是齿轮使用的更常见的场景。

测试 3 – 16:1 减速器

因此，这里的想法是使用 NEMA 17 步进电机，并分四级减速比为 2:1，总共减速比为 16:1。主动齿轮有17个齿，从动齿轮有34个齿。齿轮的模数为1.5。

正齿轮减速机在 10 厘米距离处的输出端有约 2.5 毫米的自由游隙。或者更精确地说，我使用测力计在每一侧施加特定量的力并捕获该点的位移。我以 5N 的力作为参考，我也会将其用于其他齿轮类型。

这样，我在距离 10 厘米的杆上得到了 4.4 毫米的总游隙。为了用齿隙单位弧分表示这些测量值，首先我们可以计算位移角 α。我们借助一些简单的三角学来做到这一点，得出的角度约为 2.52 度。一弧分是 1/60 度。因此，该正齿轮变速箱的齿隙约为 151 弧分。 

螺旋齿轮箱的总位移约为 5.1 毫米，换算成弧分，即 175 弧分。 

人字形变速箱的总位移约为 4.9 毫米，即齿隙约为 168 弧分。 

现在这些结果与第一次测试相反。在这里，正齿轮比其他两种类型表现出更好的齿隙结果。我的意思是，我可以说出一些原因。我们可以注意到，当施加力时，齿轮箱的轴有一点位移，因为它们仅在一侧受到支撑，这会影响结果。

另一件事是轴承和齿轮之间存在一些间隙。事实上，3D 打印零件与某些机械零件完美配合是很困难的。我尝试在轴承上添加一些胶带以收紧间隙并减少游隙。

这有帮助；齿轮变得更紧，但不能保证每个齿轮都是相同的。当然，我们可以将轴承的孔做得更小，然后用一些力将轴承插入齿轮中，但这可能会对效率产生负面影响。无法用力将两个轴承精确地放置在同一轴线上，这样齿轮转动时会产生更大的阻力。

测试 4 – 减速器效率

不管怎样，为了测量变速箱的效率，我测量了变速箱在步进电机相同电压水平下会产生多少力或扭矩。

使用正齿轮时，我得到的最大力读数约为 32N。斜齿轮变速箱的最大力读数为 28N，人字齿轮的最大力读数为 30.4N。这些结果表明正齿轮是最高效的类型，但同样，它们都太接近了。

哪种 3D 打印齿轮类型更强？

接下来，为了测试齿轮的强度，我使用测力计将一根连接在齿轮上的杆向下拉 20 厘米的距离，看看齿轮何时会断裂。

正齿轮在 190N 的力或 38Nm 的扭矩下断裂。这是相当多的，但如果我们仔细观察齿轮，我们会发现它并不是因为齿轮而失效，而是因为齿轮的内部或填充物失效。

当我使用相同的灯丝和切片设置打印每个齿轮时，每种齿轮类型都得到了相似的结果。

斜齿轮在 213N 的力（即 42.6Nm）时断裂，人字齿轮在 152N 的力（即 30.4Nm 的扭矩）时断裂。 

因此，为了获得更有意义的结果并找出齿轮类型如何真正影响齿轮的强度，我必须使齿轮的齿变弱。齿轮的强度与齿轮的宽度和模数成正比。  因此，我3D打印了下模数为2、宽度为12mm的新齿轮。

我还把到旋转轴的距离增加到了30cm，这样我就更容易往下拉了。

现在，在 116N 的力或 34.8Nm 的扭矩下，正齿轮在齿上失效，而不是损坏整个齿轮。

但我们可以注意到，固定齿轮的四个螺栓在力的作用下发生了一点弯曲，因此齿轮之间的中心距离略有增加。这导致负载接触位于齿的最顶部，这实际上降低了齿的强度，但是没关系，因为其他齿轮类型也会出现相同的情况，因此结果是可比较的。

斜齿轮在 112N 的力或 34Nm 的扭矩下失效，这与正齿轮非常相似。 

正如预期的那样，人字齿轮在本次测试中表现出了最好的结果。它在 120N 的力或 36Nm 的扭矩下失败。

所以，三种齿轮类型之间的强度差异虽然不是那么大，但仍然可以注意到。可以说，人字齿轮是最强的。

无论如何，所有三种齿轮类型的结果实际上都非常接近。我真正注意到的唯一区别在于 16:1 减速器，这就是振动水平。

不过，非常主观地，我只能通过在以最大速度旋转时触摸输出栏来判断这一点。正齿轮的振动水平明显更高。斜齿轮和人字齿轮更加平滑。

判决

因此，我对 3D 打印最佳齿轮类型的最终结论如下。尽量避免使用正齿轮，尽可能使用人字齿轮，并在使用斜齿轮时使用可以承受轴向力的滚珠轴承。就是这样！

3D 打印齿轮的模块是什么？

现在让我们看看该模块如何影响齿轮性能。齿轮的模数定义了齿和齿轮本身的尺寸。在这里，我 3D 打印了具有五个不同模块的齿轮，从 1 到 2.5。

首先测试的是模数为 1 和 50 齿的齿轮。它们都是人字形齿轮，并印有相同的设置。齿轮在 98.3N 的力或 29.5Nm 的扭矩下失效。两个齿轮都有断齿。

接下来是模数为 1.25 和 40 齿的齿轮。我改变齿数，以便齿轮的尺寸适当改变，以匹配齿轮之间具有固定中心距离的测试装置。这些齿轮在 126N 的力或 37.8Nm 的扭矩下失效。

模数为 1.5 和 33 齿的齿轮在 108N 的力或 32.4Nm 的扭矩下失效。不过，固定齿轮上有相当大的位移，压力转移到了齿的最顶部。之所以如此，是因为我之前在该设备上进行的测试（我们稍后将看到的材料强度测试）中螺栓已经弯曲。

该装置仅适用于模数为1.5的齿轮，因为使用该模数我可以得到49.5mm的中心距，而对于所有其他模数1、1.25、2和2.5，我可以通过改变齿数得到固定的50mm中心距。

接下来，模数为2和25齿的齿轮在149N的力或44.7Nm的扭矩下断裂。

模数为2.5和20齿的齿轮在121N的力或36.3Nm的扭矩下失效。实际上，这里是整个齿轮而不是齿断裂，因为我猜这个齿轮上的填充物占了 30%。我 3D 打印了另一个填充率为 45% 的齿轮，但该齿轮以类似的方式在 124N 的力下失败了。

然后我又 3D 打印了一个，这次是 100% 填充。现在它并没有破坏整个齿轮。它在牙齿处断裂，但在 124N 的力下完全相同。

这没有道理，它应该更强，但我认为这里的问题是我为这个装备使用了相同蓝色灯丝的旧线轴。这可能会产生影响，具体取决于 3D 打印机时灯丝的老化程度或湿度。另外，每个PLA长丝品牌的强度不同，即使是同一品牌但颜色不同，材料的强度也会有所不同。因此，我使用 Creality Hyper PLA 细丝 3D 打印了另一个 100% 填充的齿轮。现在，齿轮在 156.4N 的力（即 47Nm 的扭矩）下在齿处断裂。

因此，总结这些测试，齿轮的模数或齿越大，它们的强度就越强。我的意思是，这是显而易见且符合逻辑的。

齿轮的宽度也是如此。如果我们想要更强的齿轮，我们还可以增加齿轮的宽度。

齿轮的填充也有助于提高齿轮的强度。我建议 3D 打印齿轮时至少填充 35%，如果需要，最多填充 100%。不过，可能更重要的设置是墙线数，我建议为 5 或更多。

哪种材料最适合 3D 打印齿轮？

最后，我们来看看哪种材料最适合 3D 打印齿轮。在本次测试中，我将使用模数为 1.5 的正齿轮。

首先进行测试的是 PLA 长丝。齿轮在 116.9N 或 35Nm 的力下断裂。

下一个齿轮组采用 Creality 的 PLA 碳纤维长丝打印。这些齿轮失效111N。

接下来是 ABS 线材。这一次在大约 90N 的力作用下失败了。然而，与解放军相比，它的发生更加缓慢。 ABS 在破裂之前可以承受一定的弯曲或变形，这对于某些情况来说是一个很好的特性。

然后，ASA 细丝齿轮在 120.9N 的力下断裂。 ASA 的表现就像 PLA 和 ABS 的组合，它们的强度与 PLA 一样，甚至强 4N，但在断裂之前仍然像 ABS 一样有一点弯曲或变形。

接下来，PETG 纤维齿轮在 87.2N 的力下失效。这个在断裂之前也有一点变形。

最后，我尝试用尼龙或 PA 打印齿轮。这种材料是最难打印的，但Creality K1C却成功打印了它。

不过，结果真的很床上。齿轮在 66N 的力下失效，但我不认为这才是合适的尼龙丝的真正强度。这是我一年前从未知来源购买的，非常糟糕。

总的来说，我从这次测试中得到的结果非常准确，并且与 Simplyfy3D 的灯丝属性表相匹配。

PLA 齿轮具有最大的强度，但也具有最大的刚度。另一方面，ASA 齿轮表现出与 PLA 相同的强度，同时具有较低的刚度，就像 ABS 一样。

耐用性

现在说到材料的耐用性，我想用 16:1 减速器设置进行耐用性测试，看看哪种材料最适合 3D 打印齿轮，但我没能做到。

我开始进行测试，但齿轮出奇地好，即使在旋转 1 小时后，即使在输出杆上有很大的负载，也无法通过测试。测试声音太大，我现在的工作室或工作室不允许我正确或足够长地进行此测试。

不管怎样，以后我会尝试做这个耐久性测试，并且我会在这个视频的描述和网站文章中分享结果。

现在，您可以使用上面提到的表格作为参考，因为它也与我的测试相符。我也会在描述中添加一个链接。

我希望您喜欢本教程并学到一些新东西