Zahnräder im 3D-Druck aus PA 12: Konstruktion, Grenzen und Schmierung

Wo SLS-Zahnräder aus Nylon sinnvoll sind

• Prototypen von Getrieben und Mechanismen, um die Funktion vor dem Spritzgießen oder Fräsen zu testen.
• Leicht belastete Mechanismen: Versteller, Drehregler, Antriebe kleiner Geräte, Stellantriebe mit mäßiger Last.
• Prüfstände, Vorrichtungen und Automation: Sonderzahnräder, deren Einzelfertigung durch Fräsen teuer wäre.
• Ersatzteile für Maschinen und Geräte, deren Original nicht mehr erhältlich ist.
• Integrierte Teile: ein Zahnrad mit Nocken, Hebel, Nabe oder Befestigungsflansch in einem Stück.

Gemeinsam ist allen: mäßige Lasten, mäßige Drehzahlen und ein Nutzen aus Gestaltungsfreiheit oder Geschwindigkeit. Für ein Zahnrad, das jahrelang dauerhaft hohe Drehmomente übertragen muss, ist ein dafür ausgelegtes gespritztes oder gefrästes Zahnrad meist die richtige Wahl.

Was der Werkstoff mitbringt

PA 12 ist ein zähes, reibungsarmes Polyamid mit geringer Feuchtigkeitsaufnahme; seine Maße bleiben daher auch in feuchter Luft stabil. Für PA 2200, das Pulver, das wir drucken, gibt EOS einen Schmelzpunkt von 176 °C an, eine Zugfestigkeit von 48 MPa in den Schichten und 42 MPa quer dazu sowie eine Bruchdehnung von 18 % gegenüber 4 %. Die Steifigkeit sinkt mit steigender Temperatur; ein Zahnrad, das im Betrieb warm wird, trägt also weniger Last. Der PA12-Nylon-Leitfaden gibt den vollständigen Überblick.

Konstruktionsregeln für SLS-Zahnräder

Standard-Evolventenverzahnung verwenden

Erzeugen Sie das Zahnprofil mit dem Zahnradwerkzeug Ihres CAD-Systems, statt es von Hand zu zeichnen. Standard-Evolventenräder kämmen ruhig und lassen sich später leicht durch gespritzte oder gefräste Versionen ersetzen.

Größere Zähne bevorzugen

Die Schichten sind etwa einen Zehntelmillimeter dick (EOS gibt 0,12 mm für den PA-2200-Prozess an), und die Oberfläche ist leicht körnig. Sehr feine Zähne verlieren ihr Profil und tragen wenig. Ein größerer Modul ergibt genauere Zähne und mehr Festigkeit; wenn der Platz es erlaubt, wählen Sie die gröbere Verzahnung.

Flankenspiel und Achsabstand einplanen

Unsere Konstruktionsrichtlinie für lasergesintertes PA 12 ist eine Allgemeintoleranz von ±0,3 % mit einer Untergrenze von ±0,3 mm. Zwei gedruckte Zahnräder, die ohne Flankenspiel konstruiert sind, klemmen. Geben Sie der Paarung Spiel im Eingriff, und wenn der Achsabstand durch Ihr Gehäuse festgelegt ist, berücksichtigen Sie die Toleranz beider Räder und des Gehäuses. Genaue Wellenbohrungen konstruieren Sie auf Nennmaß und reiben sie nach dem Druck auf. Mehr unter SLS-Toleranzen und Passungen.

Zähne breit genug machen

Eine breitere Verzahnung verteilt die Last. Kunststoffzahnräder werden für dieselbe Aufgabe meist breiter ausgeführt als Stahlzahnräder.

Die Nabe für das Drehmoment auslegen

Eine runde Bohrung auf einer glatten Welle rutscht durch. Verwenden Sie ein D-Profil, eine Passfeder, einen Sechskant oder eine Klemmnabe, oder sehen Sie einen Metalleinsatz vor (siehe Gewinde und Gewindeeinsätze in SLS PA 12). Welches Drehmoment die Verbindung überträgt, hängt von Geometrie und Last ab; lassen Sie kritische Antriebe konstruktiv prüfen.

Gleichmäßige Wände, keine massiven Blöcke

Dicke, massive Bereiche schrumpfen beim Abkühlen stärker als dünne. Ein großes Zahnrad mit voller Scheibe kann stärker abweichen als eines mit Steg und Speichen oder Rippen. Halten Sie Kranz-, Steg- und Nabendicke im Gleichgewicht.

Ausrichtung

Ein Zahnrad, dessen Stirnfläche in der Schichtebene liegt, hat Zähne, die in der stärksten Richtung entstehen, und ein sauberes Zahnprofil ohne Schichtstufen. Die Druckvorbereitung legt die Ausrichtung für den gesamten Druckauftrag fest; ist ein Zahnrad kritisch, geben Sie es an.

Schmierung, Einlaufen und Verschleiß

• Trockenlauf ist bei geringer Last möglich und einer der Vorteile von Nylonzahnrädern.
• Schmierung verringert Verschleiß und Geräusch bei höherer Last. Verwenden Sie einen polyamidverträglichen Schmierstoff; die leicht poröse Oberfläche nimmt einen Teil davon auf, also nach dem Einlaufen nachschmieren.
• Einlaufen: Die ersten Betriebsstunden glätten die Kontaktflächen. Etwas feiner Abrieb ist normal.
• Paarung: Ein Nylonzahnrad, das gegen ein Stahlzahnrad läuft, führt Wärme besser ab als zwei Nylonräder miteinander.
• Wärme ist die wichtigste Grenze: Reibung erwärmt die Zähne, und die Steifigkeit sinkt. Geringere Drehzahl oder Last oder eine bessere Wärmeabfuhr verlängern die Lebensdauer.

Fertig montiert gedruckte Getriebe

Weil SLS keine Stützen braucht, lässt sich ein ganzes Getriebe fertig montiert im Gehäuse drucken, mit Zahnrädern auf integrierten Achsen. Es gelten dieselben Regeln wie für jede Print-in-Place-Baugruppe: mindestens 0,5 mm Spalt zwischen beweglichen Flächen und ein Weg für das Pulver nach außen. Ideal für Demonstratoren und Prototypen; für Seriengetriebe sind einzelne Zahnräder auf Metallwellen meist präziser.

Nachbearbeitung und Farbe

Jedes Teil wird in einer DyeMansion Powershot DUAL glasperlengestrahlt und poliert, im Preis inbegriffen. Laut DyeMansion verdichtet der Prozess die Oberfläche, ohne Material abzutragen; die Zahngeometrie bleibt erhalten und die Flanken werden glatter. Das Färben mit Flüssigfarben von TCN ist optional: Es färbt die Randschicht, laut DyeMansion etwa 0,2 mm tief in PA 2200, ohne Beschichtung, und ändert den Eingriff daher nicht. Zahnräder einer Baugruppe lassen sich mit jedem der 61 Farbtöne des Farbkatalogs farblich kennzeichnen, jeweils mit Sofortpreis im Kalkulator.

Checkliste

• Evolventenprofil aus dem CAD-Zahnradwerkzeug.
• Modul so groß, wie der Platz erlaubt.
• Flankenspiel und Achsabstand berücksichtigen die Richtlinie ±0,3 % / ±0,3 mm.
• Wellenbohrungen auf Nennmaß konstruiert und aufgerieben, wenn sie genau sein müssen.
• Nabe mit D-Profil, Passfeder, Sechskant oder Einsatz für das Drehmoment.
• Steg und Speichen statt voller Scheibe bei großen Rädern.
• Mäßige Lasten und Drehzahlen; Wärme berücksichtigt.
• Testpaar für einen kritischen Antrieb gedruckt.

Tragfähigkeit und Lebensdauer von Kunststoffzahnrädern hängen von der gesamten Konstruktionsabsicht ab. Für Antriebe mit echter Last prüfen die Spezialisten von prototype.builders die Konstruktion gern mit Ihnen. Zu den Kosten siehe 3D-Druck Kosten bei SLS.

Häufig gestellte Fragen

Kann man funktionsfähige Zahnräder aus Nylon 3D-drucken?

Ja. Zahnräder aus lasergesintertem PA 12 eignen sich gut für Prototypen, Mechanismen mit mäßiger Last und Drehzahl, Prüfstände, Kleinserien und Ersatzteile. Bei hoher Last, hoher Drehzahl oder langem Dauerbetrieb prüfen und testen Sie die Konstruktion sorgfältig.

Wie viel Flankenspiel brauchen SLS-Zahnräder?

Mehr als ein gefrästes Zahnrad. Lasergesinterte Teile haben eine Allgemeintoleranz von etwa ±0,3 % mit einer Untergrenze von ±0,3 mm (unsere Konstruktionsrichtlinie), und die Oberfläche ist leicht körnig; die Paarung braucht daher Spiel im Eingriff und im Achsabstand. Testen Sie die Paarung, bevor Sie sich darauf verlassen.

Brauchen SLS-Zahnräder aus Nylon Schmierung?

Nylonzahnräder können bei geringer Last trocken laufen, das ist einer ihrer Vorteile. Schmierung verringert Verschleiß und Geräusch bei höherer Last. Wählen Sie einen polyamidverträglichen Schmierstoff und denken Sie daran, dass die leicht poröse SLS-Oberfläche einen Teil davon aufnimmt.

Welcher Modul ist für 3D-gedruckte Zahnräder mit SLS mindestens nötig?

Ein festes Minimum gibt es nicht, doch sehr feine Zähne verlieren wegen der Schichtdicke und der körnigen Oberfläche ihre Form. Größere Zähne werden genauer gedruckt und tragen mehr. Bei kleinem Modul drucken Sie zuerst ein Testpaar.

Wie sollte ein Zahnrad im Drucker ausgerichtet sein?

Idealerweise mit der Stirnfläche in der Schichtebene, sodass jeder Zahn in der stärksten Richtung entsteht und das Zahnprofil keine Stufen hat. Die Druckvorbereitung legt die Ausrichtung für den gesamten Druckauftrag fest; geben Sie es an, wenn das Zahnrad kritisch ist.

Kann ein Zahnrad zusammen mit seiner Welle gedruckt werden?

Ja. SLS druckt ein Zahnrad mit integrierter Welle oder ein fertig montiertes Getriebe im Gehäuse, mit mindestens 0,5 mm Spalt und einem Auslass für das Pulver.