Choisir le réducteur 3D idéal pour votre projet robotique

Vue d'ensemble

Dans ce comparatif, nous évaluons trois types de réducteurs imprimés en 3D : l'entraînement cycloïdal, le réducteur planétaire et l'entraînement par courroie. Nous les comparerons sur plusieurs critères : efficacité, couple, précision (jeu), durabilité, coût, encombrement, poids et facilité de fabrication.

Vous pouvez visionner la vidéo correspondante ou suivre le tutoriel écrit ci-dessous.

Pourquoi cette comparaison ?

L'objectif principal est de déterminer quel réducteur convient le mieux pour une articulation de robot. Dans les mois à venir, je concevrai des bras robotiques, et ces résultats permettront à chacun de choisir la solution la plus adaptée à son design.

J'ai déjà publié des vidéos détaillées sur le fonctionnement et la conception des entraînements cycloïdaux et des réducteurs planétaires. Je vous invite à les consulter pour approfondir. Ici, nous nous concentrerons sur les paramètres clés qui définissent chaque conception.

Conception des trois réducteurs

Entraînement cycloïdal

Les paramètres d'entrée principaux sont le rapport de réduction souhaité et le type/taille des rouleaux. Pour ce montage, j'ai choisi des bagues de 6 mm d'alésage et 10 mm de diamètre extérieur, plus lisses que les bagues de 8 mm utilisées auparavant. Cependant, leur diamètre plus grand augmente la taille globale du réducteur.

La conception a été réalisée sous Onshape (sponsor de cette vidéo), un système CAO/PDM professionnel offrant jusqu'à 6 mois gratuits de la version Pro. La bibliothèque FeatureScript « Cycloidal Drive » permet de générer facilement le disque cycloïdal en entrant : nombre de dents, excentricité, diamètres des rouleaux (anneau et sortie). Le modèle 3D se met à jour automatiquement, tout comme les paramètres dérivés (diamètre du cercle enveloppe, etc.) qu'il faut surveiller et ajuster si nécessaire. Le disque cycloïdal est la pièce maîtresse ; toutes les autres pièces sont dessinées autour.

D'autres paramètres influencent la conception : type de moteur, entraînement de l'arbre d'entrée, roulements disponibles, application visée, etc.

Réducteur planétaire

Il s'agit du même design à deux étages (4:1 par étage, soit 16:1 au total) présenté dans ma vidéo précédente. Pour de meilleures performances, les satellites sont montés sur roulements à billes (deux par satellite) afin de verrouiller le gear en place et d'absorber les efforts axiaux dus aux dents hélicoïdales.

Entraînement par courroie

Même rapport 16:1, obtenu en deux étages 4:1. J'ai opté pour une courroie GT2 (la plus courante, excellente pour le jeu), deux boucles fermées de 226 mm, largeur 10 mm. Les poulies GT2 sont générées via une FeatureScript Onshape : pas 2M ou 3M, nombre de dents. Pignons d'entrée 20 dents, pignons de sortie 80 dents. Le pignon intermédiaire (80 dents / 20 dents) tourne sur deux roulements, son axe étant un tube imprimé en 3D (6 mm) renforcé par un vis M4. Le second pignon de sortie est supporté par deux roulements (arbre moteur et carter).

Modèles 3D

Visualisez et explorez les modèles :

• Entraînement cycloïdal : https://bit.ly/3RsTa6g
• Entraînement par courroie : https://bit.ly/3DZGIb7
• Réducteur planétaire : https://bit.ly/3XGtTsZ

Note : les fichiers STL seront disponibles prochainement.

Impression 3D

J'ai utilisé l'imprimante Creality K2 Plus. Pour la précision dimensionnelle, il est crucial d'utiliser les compensations « Expansion horizontale » (contours) et « Expansion des trous » (dans Creality Print : « Compensation contour X-Y » et « Compensation trous X-Y »). Par défaut, les trous sortent trop petits et les contours trop grands à cause de la dilatation du filament.

Les valeurs optimales varient selon la pièce et l'imprimante ; elles ne s'obtiennent que par essais. Voici celles que j'ai utilisées :

Pièce	Compensation contour	Compensation trous
Entraînement cycloïdal
Disque cycloïdal	-0,15 mm -0,20 mm (jeu plus large)	0,10 mm 0,15 mm (jeu plus large)
Palier excentrique	0,07 mm	0,03 mm
Accouplement d'arbre	0,07 mm	0 mm
Réducteur planétaire
Couronne / carter	0 mm -0,10 mm (jeu plus large)	0,05 mm
Satellites	0 mm -0,05 mm (jeu plus large)	0,05 mm
Porte-satellites / sortie	0,07 mm (pour mieux s'ajuster au roulement de sortie)	0,05 mm
Entraînement par courroie
Poulies GT2	-0,05 mm	0,05 mm

Testez ces valeurs, mais adaptez-les à votre imprimante. Vous verrez dans les tests comment ces réglages influencent les performances.

Un grand merci à Creality pour l'imprimante K2 Plus, l'une des meilleures que j'aie utilisées. Consultez mon test détaillé : Creality USA store ; Creality EU store ; Amazon.

Assemblage des réducteurs

L'entraînement par courroie a le moins de pièces, le cycloïdal en nécessite beaucoup plus (goupilles, bagues), le planétaire est intermédiaire.

Nomenclature (BOM)

Composant	Quantité	Liens d'achat
Entraînement cycloïdal
Goupilles D6 L30 mm	16	Amazon | AliExpress
Goupilles D6 L24/25 mm	6	Amazon | AliExpress
Bagues DI6 DE10 L16 mm ou 2×L8 mm	22	Amazon | AliExpress
Roulement 35×47×7 (6807)	1	Amazon | AliExpress
Roulement 17×26×5 (6803)	3	Amazon | AliExpress
Roulement 12×21×5 (6801)	1	Amazon | AliExpress
Vis M3×10 mm (creuses / standard)	4 / 6	Amazon | AliExpress
Réducteur planétaire
Goupilles D6 L22 mm	6	Amazon | AliExpress
Roulement 35×47×7 (6807)	1	Amazon | AliExpress
Roulement 15×24×5 (6802)	2	Amazon | AliExpress
Roulement 6×13×5 (686)	1	Amazon | AliExpress
Vis M3×10 mm (standard / creuses)	6 / 4	Amazon | AliExpress
Entraînement par courroie
Courroie GT2 226 mm	2	Amazon | AliExpress
Roulement 35×47×7 (6807)	1	Amazon | AliExpress
Roulement 15×24×5 (6802)	1	Amazon | AliExpress
Roulement 6×13×5 (686)	2	Amazon | AliExpress
Vis M3 (diverses longueurs)	4+4+2+2	Amazon | AliExpress
Commun
Vis sans tête M3, écrous M3/M4	—	Amazon | AliExpress

Assemblage de l'entraînement par courroie

1. Insérer le pignon de sortie final à travers le roulement du carter.
2. Installer le roulement dans le pignon de sortie pour le premier pignon d'entrée.
3. Fixer le pignon d'entrée sur le moteur pas-à-pas (deux encoches pour écrous M3 + vis sans tête M3). Laisser 2 mm au-dessus du moteur.
4. Insérer les deux courroies avant de fixer le moteur au carter (vis M3, serrage délicat avec pinces fines).
5. Monter le pignon intermédiaire avec ses deux roulements et bague d'écartement.
6. Insérer l'axe creux imprimé 3D (6 mm) renforcé par un vis M4 (meilleur ajustement qu'un vis M6).
7. Ajouter bague d'écartement, tendre les courroies, passer l'axe, insérer et serrer le vis M4 + écrou.
8. Ajouter tendeurs de courroie (roulement 13 mm sur patte M3).
9. Fixer le couvercle (vis M3 + écrous) et inserts filetés sur l'axe de sortie.

Résultat : aucun jeu perceptible à la main.

Assemblage de l'entraînement cycloïdal

Problème rencontré : impossible d'insérer le second disque. Cause : le rapport de réduction doit être impair pour fonctionner avec deux disques. Mes précédents designs avaient par hasard un rapport impair. J'ai dû changer : 15 dents (disques), 16 rouleaux (couronne), réimprimer carter et disques. L'assemblage s'est alors déroulé normalement.

Test de jeu (backlash)

Réducteur planétaire

Répétabilité excellente : retour dans 1/100 mm à 20 cm. Sous charge, jeu notable (quelques mm). Mesure standard : charge 1-2 % du couple nominal. Couple max mesuré ~32 N à 10 cm → charge test 2 N à 20 cm. Déplacements : 2,9 mm et 0,75 mm → angle ~1° → ~60 minutes d'arc.

En resserrant les tolérances d'impression (couronne 0 mm, satellites 0 mm au lieu de -0,15/-0,05 mm), le jeu passe à ~30 minutes d'arc (amélioration 50 %). Note : un jeu de 0,1 mm était prévu dans la génération des engrenages (FeatureScript), permettant l'assemblage même à 0 mm d'expansion.

Entraînement cycloïdal

Répétabilité moins bonne : 1/10 mm. Jeu calculé ~60 minutes d'arc (pire cas planétaire). Sensation : résistance immédiate, pas de jeu libre. Disques imprimés à -0,15 mm (ajustement serré). En desserrant (-0,2 mm contour, +0,2 mm trous), jeu grimpe à ~150 minutes d'arc avec jeu libre à la main.

Entraînement par courroie

Répétabilité excellente : 1/100 mm à 20 cm (léger dépassement 0,04 → 0,03 mm). Jeu initial ~45 minutes d'arc. Après tension accrue : ~25 minutes d'arc. Meilleur des trois.

Test de couple / efficacité

Entraînement cycloïdal

À 10 cm : ~16 N (160 Ncm). Moteur seul : ~18 Ncm. Augmentation ~9×. Efficacité ~60 % (théorique 15×). Frottements importants (ajustement serré). Disques plus lâches : 18 N (180 Ncm), efficacité ~66 %, mais jeu énorme (inutilisable pour la précision).

Réducteur planétaire

À 10 cm : ~36 N (350 Ncm). Moteur seul : ~23 Ncm. Augmentation ~15×. Efficacité ~90-95 % (rapport 16:1). Testé avec engrenages « lâches » (léger jeu). Engrenages plus serrés (couronne 0 mm) : 310 Ncm (~84 %). Tous serrés (0 mm) : 290 Ncm (~78 %). Excellents résultats pour de l'imprimé 3D.

Entraînement par courroie

Courroies lâches : 260 Ncm (~70 %), mais patinage au second pignon. Bien tendues : 360 Ncm (~95-97 %). Le plus efficace et le plus précis.

Test de durabilité

Fonctionnement 2 h avec charge (moteurs CC) et inversions de sens brutales.

• Cycloïdal : échec après 2 h (ne bouge plus la charge). Perte totale de précision : 10 mm jeu à 20 cm.
• Planétaire et courroie : 8 h supplémentaires sans souci.

Après test :

• Planétaire : jeu passé de 30 à 60 minutes d'arc (usure légère, provavelmente couches d'impression).
• Courroie : jeu passé de 25 à 35 minutes d'arc (usure face arrière de la courroie au tendeur). Solution : galet tendeur 10 mm + retension possible.

Le cycloïdal montre une usure marquée sur le profil des disques et les trous de sortie (déformation PLA). Pour les deux autres, on ne peut pas « ajouter de matière » ni retendre indéfiniment. L'entraînement par courroie sort grand gagnant.

Autres comparatifs

• Poids (moteur inclus) : courroie ~550 g, planétaire ~600 g, cycloïdal ~710 g. Critique pour articulations robotiques.
• Encombrement : cycloïdal le plus compact ; planétaire et courroie similaires mais configuration différente.
• Complexité assemblage : cycloïdal > planétaire > courroie (moins de pièces hors impression).
• Coût composants (hors pièces imprimées) : cycloïdal ~28 $, planétaire ~23 $, courroie ~7,5 $ (1/3 à 1/4).

Conclusion

J'éviterais l'entraînement cycloïdal : seul avantage = compacité.

Planétaire et courroie ont des performances très proches, mais l'entraînement par courroie gagne dans toutes les catégories : précision, efficacité, durabilité, simplicité, coût.

Je poursuivrai les tests en conditions réelles : deux bras robotiques, l'un avec réducteurs planétaires, l'autre par courroies, pour valider ce choix.