Projektowanie kół zębatych, które służą do przenoszenia momentu obrotowego i zmiany kierunku ruchu w mechanizmach, wymaga precyzji. Tradycyjna produkcja tych elementów przez frezowanie, wtrysk, czy odlewanie bywa czasochłonna i kosztowna. Dlatego obecnie coraz częściej do wytwarzania kół zębatych stosuje się druk 3D w technologii FDM z filamentu PLA.
Spis treści:
- Projektowanie kół zębatych przy użyciu druku 3D
- Zalety druku 3D kół zębatych metodą FDM z PLA
- Zastosowanie kół zębatych drukowanych w 3D w różnych branżach
- Wyzwania i ograniczenia druku 3D kół zębatych z PLA
- Przyszłość druku 3D w projektowaniu kół zębatych
Projektowanie kół zębatych przy użyciu druku 3D
Projektowanie kół zębatych z myślą o ich późniejszej produkcji za pomocą drukarki 3d, najczęściej wykonuje się w oprogramowaniu typu CAD. Umożliwia ono precyzyjne określenie parametrów takich, jak:
- moduł zęba, decydujący o wielkości kół zębatych,
- liczbę zębów, wpływającą na przełożenie przekładni,
- kąt przyporu, odpowiadający za płynność pracy mechanizmu.
Po zaprojektowaniu koła w postaci modelu CAD plik eksportowany jest do odpowiedniego formatu (zwykle STL), a następnie przetwarzany w oprogramowaniu typu slicer i przesyłany bezpośrednio do drukarki 3D.
Projektowanie kół zębatych przy użyciu oprogramowania CAD ma wiele zalet. Przede wszystkim zapewnia odpowiednią precyzję i powtarzalność nawet podczas odwzorowywania bardzo skomplikowanych kształtów. Cyfrowe projektowanie ułatwia także wprowadzanie zmian oraz pozwala na bezpośrednie przejście od projektu do gotowego wydruku.
Zalety druku 3D kół zębatych metodą FDM z PLA
Druk 3D w technologii FDM z filamentu PLA jest interesującą alternatywą dla tradycyjnych metod produkcji kół zębatych głównie ze względu na szybkość prototypowania. Od momentu ukończenia cyfrowego modelu elementu do uzyskania w pełni funkcjonalnego, przestrzennego elementu może upłynąć tylko godzin, zamiast dni czy nawet tygodni, jak w przypadku tradycyjnej produkcji.
Dodatkowo druk 3D kół zębatych często okazuje się tańszy niż produkcja tych elementów np. za pomocą skrawania czy odlewania. Dotyczy to zwłaszcza produkcji krótkoseryjnej oraz wytwarzania pojedynczych egzemplarzy. Dzięki technologii druku 3D można również w łatwy sposób dostosować projekt do indywidualnych potrzeb: zmodyfikować liczbę zębów, przełożenie czy kształt koła bez ponoszenia wysokich kosztów wykonania nowych form odlewniczych.
Ponadto wytwarzanie kół zębatych za pomocą drukowania 3d pozwala tworzyć elementy o geometriach niemożliwych do wykonania metodami tradycyjnymi. Dobrym przykładem są lekkie, ażurowe struktury oraz koła ze wbudowanymi kanałami smarowania.
Zastosowanie kół zębatych drukowanych w 3D w różnych branżach
Przedstawione powyżej zalety drukowania 3D kół zębatych powodują, że elementy wyprodukowane za pomocą tej metody znajdują szerokie zastosowanie w wielu różnych branżach. Szczególnie często korzysta z nich robotyka, ponieważ dorabianie części na drukarce 3d pozwala na efektywne kosztowo tworzenie niestandardowych przekładni, nierzadko wykonywanych w krótkich seriach lub nawet pojedynczych aplikacjach. Stosuje się je w robotach przemysłowych, dronach czy manipulatorach, a dzięki taniemu prototypowaniu inżynierowie mogą swobodnie testować nowe rozwiązania.
Drukowane koła zębate wykorzystywane są także do produkcji części zamiennych w przemyśle maszynowym, co pozwala zminimalizować przestoje serwisowe. Zamiast czekać na dostawę części, można ją szybko wydrukować (nawet lokalnie), co jest kluczowe w utrzymaniu ruchu.
Wyzwania i ograniczenia druku 3D kół zębatych z PLA
Pomimo istotnych zalet, druk 3D kół zębatych z PLA posiada także pewne ograniczenia, które wynikają głównie z właściwości filamentu. W porównaniu np. do metalu Polilaktyd posiada mniejszą odporność na ścieranie, obciążania dynamiczne i podwyższoną temperaturę. PLA zaczyna odkształcać się przy ok. ~60°C. Dlatego w zastosowaniach wymagających większej wytrzymałości stosuje się zwykle inne materiały.
Pomimo wysokiej precyzji druku 3D metoda ta nie zapewnia takiej dokładności, jak obróbka CNC, co ma negatywny wpływ zwłaszcza na gładkość i dokładność zębów koła. Z tego powodu często stosuje się obróbkę wykończeniową tych elementów, obejmującą np. szlifowanie, czy polerowanie.
Przyszłość druku 3D w projektowaniu kół zębatych
Technologia druku 3D FDM z PLA rozwija się dynamicznie, a tradycyjne i nowe branże znajdują kolejne zastosowania tej metody produkcji kół zębatych. Jej popularność zwiększy na pewno rozwój filamentów o wysokiej odporności na zużycie (np. już teraz dostępne są filamenty z dodatkiem włókien węglowych).
Rozwijane są również technologie hybrydowe, których przykładem jest drukowanie kół z łożyskami metalowymi. Natomiast projektowanie kół zębatych coraz części wspierają algorytmy korzystające ze sztucznej inteligencji do optymalizacji kształtu tych elementów pod kątem wytrzymałości i wydajności.