Ozubená kola z 3D tisku z PA 12: návrh, limity a mazání

Kde mají ozubená kola z SLS nylonu smysl

• Prototypy převodovek a mechanismů pro ověření funkce před vstřikováním nebo frézováním.
• Lehce zatížené mechanismy: stavěcí prvky, otočné ovladače, pohony malých zařízení, aktuátory s mírným zatížením.
• Zkušební stavy, přípravky a automatizace: zakázková kola, jejichž kusové frézování by bylo drahé.
• Náhradní díly pro stroje a zařízení, u kterých už originál není k dostání.
• Integrované díly: ozubené kolo s vačkou, pákou, nábojem nebo montážní přírubou v jednom kuse.

Společné mají: mírné zatížení, mírné otáčky a přínos tvarové volnosti nebo rychlosti. Pro kolo, které má roky nepřetržitě přenášet vysoký kroutící moment, je obvykle správnou volbou vstřikované nebo frézované kolo navržené pro takový provoz.

Co přináší materiál

PA 12 je houževnatý polyamid s nízkým třením a nízkou nasákavostí, takže jeho rozměry zůstávají stabilní i ve vlhkém vzduchu. Pro PA 2200, prášek, ze kterého tiskneme, uvádí EOS teplotu tání 176 °C, pevnost v tahu 48 MPa ve vrstvách a 42 MPa napříč nimi a tažnost 18 % proti 4 %. Tuhost s rostoucí teplotou klesá, takže kolo, které se za provozu zahřívá, unese méně. Úplný přehled dává průvodce nylonem PA12.

Pravidla návrhu ozubených kol z SLS

Použijte standardní evolventní ozubení

Profil zubu vygenerujte nástrojem pro ozubená kola ve svém CAD, nekreslete ho ručně. Standardní evolventní kola zabírají plynule a později je snadno nahradíte vstřikovanými nebo frézovanými.

Dávejte přednost větším zubům

Vrstvy jsou silné asi desetinu milimetru (EOS uvádí 0,12 mm pro proces PA 2200) a povrch je mírně zrnitý. Velmi jemné zuby ztratí profil a unesou málo. Větší modul dává přesnější zuby a větší pevnost; pokud to prostor dovolí, zvolte hrubší ozubení.

Počítejte s vůlí v ozubení a osovou vzdáleností

Naše zásada návrhu pro laserem spékaný PA 12 je obecná tolerance ±0,3 % se spodní hranicí ±0,3 mm. Dvě vytištěná kola navržená bez vůle se zadřou. Dejte soukolí vůli v záběru, a pokud osovou vzdálenost určuje skříň, počítejte s tolerancí obou kol i skříně. Přesné otvory pro hřídel navrhněte na jmenovitý rozměr a po tisku je vystružte. Více v článku Přesnost 3D tisku SLS a tolerance.

Dejte zubům dostatečnou šířku

Širší ozubení rozloží zatížení. Plastová kola se pro stejný úkol obvykle dělají širší než ocelová.

Navrhněte náboj na kroutící moment

Kulatý otvor na hladké hřídeli bude prokluzovat. Použijte profil D, pero, šestihran nebo svěrný náboj, nebo počítejte s kovovou vložkou (viz závity a zalisovací vložky v SLS PA 12). Jaký moment spoj přenese, závisí na geometrii a zatížení; u kritických pohonů si nechte návrh zkontrolovat.

Rovnoměrné stěny, žádné plné bloky

Silné plné průřezy se při chladnutí smršťují víc než tenké. Velké kolo s plným diskem se může odchýlit víc než kolo se stojinou a paprsky nebo žebry. Udržujte tloušťku věnce, stojiny a náboje v rovnováze.

Orientace

Kolo vytištěné čelní plochou v rovině vrstev má zuby vytvořené v nejpevnějším směru a čistý profil zubu bez schodků. Příprava tisku volí orientaci pro celou tiskovou úlohu; pokud je kolo kritické, uveďte to.

Mazání, zabíhání a opotřebení

• Chod nasucho je při malém zatížení možný a je jednou z výhod nylonových kol.
• Mazání snižuje opotřebení a hluk při vyšším zatížení. Použijte mazivo vhodné pro polyamid; mírně porézní povrch část vsákne, proto po zaběhnutí domažte.
• Zabíhání: první hodiny provozu vyhladí styčné plochy. Počítejte s trochou jemného otěru.
• Párování: nylonové kolo běžící proti ocelovému odvádí teplo lépe než dvě nylonová kola spolu.
• Teplo je hlavní limit: tření ohřívá zuby a tuhost klesá. Nižší otáčky nebo zatížení či lepší odvod tepla prodlouží životnost.

Převody tištěné rovnou sestavené

Protože SLS nepotřebuje podpory, lze celý převod vytisknout rovnou sestavený ve skříni, s koly na integrovaných osách. Platí stejná pravidla jako u každé sestavy tištěné vcelku: mezera alespoň 0,5 mm mezi pohyblivými plochami a cesta pro prášek ven. Ideální pro demonstrátory a prototypy; pro sériové mechanismy jsou obvykle přesnější samostatná kola na kovových hřídelích.

Povrchová úprava a barva

Každý díl tryskáme skleněnými kuličkami a leštíme v zařízení DyeMansion Powershot DUAL, v ceně. Podle DyeMansion proces zhutňuje povrch bez úběru materiálu, takže geometrie zubů zůstane zachována a boky zubů jsou hladší. Barvení tekutými barvivy TCN je volitelné: obarví povrchovou vrstvu, podle DyeMansion asi 0,2 mm do PA 2200, bez povlaku, takže záběr nezmění. Kola v sestavě lze barevně odlišit kterýmkoli z 61 odstínů katalogu barev, každý s okamžitou cenou v kalkulačce.

Kontrolní seznam

• Evolventní profil z CAD nástroje pro ozubená kola.
• Modul tak velký, jak dovolí prostor.
• Vůle v ozubení a osová vzdálenost počítají se zásadou ±0,3 % / ±0,3 mm.
• Otvory pro hřídel navržené na jmenovitý rozměr a vystružené, pokud musí být přesné.
• Náboj s profilem D, perem, šestihranem nebo vložkou pro přenos momentu.
• U velkých kol stojina a paprsky místo plného disku.
• Mírné zatížení a otáčky; zohledněné teplo.
• Pro kritický pohon vytištěný zkušební pár.

Únosnost a životnost plastových kol závisí na celém konstrukčním záměru. U pohonů se skutečným zatížením s vámi návrh projdou specialisté z prototype.builders. K ceně viz Cena 3D tisku SLS.

Časté dotazy

Dají se z nylonu vytisknout funkční ozubená kola?

Ano. Kola z laserem spékaného PA 12 dobře fungují pro prototypy, mechanismy s mírným zatížením a otáčkami, zkušební stavy, malé série a náhradní díly. Při vysokém zatížení, vysokých otáčkách nebo dlouhém nepřetržitém provozu návrh pečlivě ověřte a vyzkoušejte.

Jakou vůli v ozubení mají mít kola z SLS?

Větší než frézované kolo. Laserem spékané díly mají obecnou toleranci asi ±0,3 % se spodní hranicí ±0,3 mm (naše zásada návrhu) a povrch je mírně zrnitý, takže soukolí potřebuje vůli v záběru i v osové vzdálenosti. Než se na soukolí spolehnete, vyzkoušejte ho.

Potřebují ozubená kola z SLS nylonu mazání?

Nylonová kola mohou při malém zatížení běžet nasucho, což je jedna z jejich výhod. Mazání snižuje opotřebení a hluk při vyšším zatížení. Zvolte mazivo vhodné pro polyamid a počítejte s tím, že mírně porézní povrch z SLS část vsákne.

Jaký je minimální modul ozubených kol z 3D tisku SLS?

Pevné minimum neexistuje, ale velmi jemné zuby kvůli tloušťce vrstvy a zrnitému povrchu ztrácejí tvar. Větší zuby se tisknou přesněji a unesou víc. U malých modulů nejprve vytiskněte zkušební pár.

Jak má být ozubené kolo orientováno v tiskárně?

Ideálně čelní plochou v rovině vrstev, aby každý zub vznikl v nejpevnějším směru a profil zubu neměl schodky. Příprava tisku volí orientaci pro celou tiskovou úlohu; pokud je kolo kritické, uveďte to.

Lze kolo vytisknout i s hřídelí?

Ano. SLS vytiskne kolo s integrovanou hřídelí nebo celý převod rovnou sestavený ve skříni, s mezerami alespoň 0,5 mm a cestou pro prášek ven.