Maîtrisez les équipements d'impression 3D :conseils d'experts et guide complet

Dans ce tutoriel, nous apprendrons tout ce que nous devons savoir sur les engrenages d'impression 3D, les trucs et astuces que j'ai acquis en imprimant en 3D un certain nombre d'engrenages et en effectuant des dizaines de tests avec eux.

Vous pouvez regarder la vidéo suivante ou lire le didacticiel écrit ci-dessous.

Nous verrons quel type d'engrenage est le mieux adapté à l'impression 3D, engrenage droit, hélicoïdal ou à chevrons en termes de résistance, d'efficacité et de jeu.

Comment le module de l'engrenage affecte ses performances, comment le remplissage de l'impression affecte la résistance de l'engrenage et quel matériau est le meilleur pour les engrenages imprimés en 3D.

J'ai testé six matériaux différents, PLA, PLA-CF, ABS, PETG, ASA et Nylon. Nous verrons lequel est le plus fort, en faisant des tests de résistance jusqu'à l'échec.

Engrenages droits, hélicoïdaux ou à chevrons

Très bien, comparons d'abord les différents types d'engrenages, engrenages droits, hélicoïdaux et à chevrons.

Les engrenages droits sont le type d’engrenage le plus simple, comportant des dents droites montées parallèlement à l’axe de l’engrenage. Les dents des engrenages hélicoïdaux, en revanche, sont disposées selon un angle par rapport à l’axe de l’engrenage. Les engrenages à chevrons sont une combinaison de deux engrenages hélicoïdaux opposés avec une hélice droite et gauche.

Dans le monde réel ou dans l'industrie, les engrenages droits sont généralement le premier choix lorsque l'on explore l'option des engrenages, car ils sont les plus simples et les moins chers à fabriquer. Viennent ensuite les engrenages hélicoïdaux, plus difficiles et plus coûteux à fabriquer. Et enfin, les engrenages à chevrons sont les plus complexes et les plus coûteux à fabriquer.

Cependant, dans le monde de l'impression 3D, de la fabrication ou de l'impression 3D, l'un de ces trois types d'engrenages est exactement le même et aussi simple que possible.

Une imprimante 3D peut facilement imprimer n’importe quel profil de dent et former l’engrenage, couche par couche. Ainsi, dans cette comparaison, le coût de fabrication ne sera pas pris en compte, mais examinons les autres avantages et inconvénients de chaque type d'engrenage.

Les engrenages droits sont le type d’engrenage le plus efficace car ils ont le moins de surface de contact lorsque les engrenages sont engagés. La surface de contact est une ligne droite et se produit soudainement à chaque engagement des dents.

Ce contact soudain constitue cependant le côté négatif des engrenages droits, car il provoque une charge d'impact sur les dents. Cela affecte les capacités de charge et la durabilité des engrenages, et entraîne une augmentation du bruit et des vibrations.

D’un autre côté, les engrenages hélicoïdaux offrent un fonctionnement plus fluide et plus silencieux, ont une meilleure capacité de charge, une durée de vie plus longue et peuvent être utilisés à des vitesses plus élevées. En effet, le contact entre les dents en prise se fait progressivement.

Cela commence comme un point, devient progressivement une ligne, puis vit comme un point. De plus, à tout moment, ils ont plus de surface de contact que les engrenages droits. Nous pouvons remarquer sur cette démo que trois ou deux dents sont toujours engagées dans la transmission de puissance, alors que dans le cas des engrenages droits, deux ou à un moment donné une seule dent supporte toute la charge.

Cependant, comme la plupart des choses dans la vie, toutes ces caractéristiques des engrenages hélicoïdaux ont un prix, à savoir l'introduction d'une force axiale due aux dents inclinées.

En fonction de l'angle d'hélice qui varie de 15 à 25 degrés, une force axiale importante peut se produire et doit être prise en compte lors de la conception du système d'engrenage. Nous pouvons clairement le remarquer à partir de ce test.

Lorsque j'applique une force radiale à l'engrenage, une force axiale se produit qui tend à déplacer l'engrenage hors de sa place.

Afin d'éviter cette force axiale, il existe l'engrenage à chevrons qui est essentiellement constitué de deux engrenages hélicoïdaux opposés avec hélice gauche et droite.

De cette façon, les forces axiales qui se produisent s'annulent, et nous obtenons ainsi toutes les caractéristiques exceptionnelles des engrenages hélicoïdaux sans aucune force axiale agissant sur les engrenages. Mais là encore, nous avons un autre inconvénient, à savoir la difficulté d’assembler le système d’engrenage. Avec les engrenages droits et hélicoïdaux, nous pouvons simplement glisser les engrenages en place, et ils commenceront à s'engrener, même si l'un d'eux tourne.

Avec des engrenages à chevrons, nous ne pouvons pas faire cela. Il faut d'abord engrener les engrenages, puis les mettre en place sur les arbres en même temps ou insérer les arbres ensuite.

Concevoir des engrenages

Néanmoins, testons maintenant les engrenages imprimés en 3D et voyons quels résultats nous obtiendrons pour chaque type.

Pour concevoir les engrenages, j'ai utilisé Onshape. Onshape est un système CAO et PDM de qualité professionnelle, et ils offrent désormais jusqu'à 6 mois gratuits de la version professionnelle aux ingénieurs et à leurs entreprises.

Nous pouvons facilement créer des engrenages avec le FeatureScript personnalisé appelé « Spur Gear ». Nous pouvons choisir le module de l'engrenage, le nombre de dents, la largeur de l'engrenage, ajouter un chanfrein et un alésage central. Nous pouvons également choisir que l'engrenage soit hélicoïdal et choisir l'angle d'hélice, ainsi que l'orientation de l'engrenage, à gauche ou à droite.

Pour un engrenage à chevrons, il suffit de sélectionner l'option « Double Helix ». Il existe également une option pour ajouter un décalage à l'ensemble du profil d'engrenage, ce qui est très utile lorsqu'il s'agit d'impression 3D.

J'ai utilisé ma nouvelle imprimante 3D Creality K1C pour imprimer tous les engrenages de cette vidéo. Lorsque nous imprimons en 3D des engrenages, ou tout autre objet dont nous souhaitons une précision dimensionnelle, nous devons utiliser la fonction d'expansion horizontale de notre logiciel de découpage.

Cette fonctionnalité compense l'expansion du filament et dans mon cas, j'ai utilisé une valeur de -0,15 mm, mais vous devriez faire quelques tests d'impression pour voir quelle valeur conviendra à votre imprimante 3D.

De plus, lors de l’impression 3D d’engrenages, il est particulièrement important d’éviter l’effet pied d’éléphant. Cela se produit lorsque le lit n’est pas correctement mis à niveau. La buse est trop proche du lit lors de l'impression de la première couche, de sorte que le matériau est comprimé et que les premières couches de la pièce ne sont pas dimensionnellement précises.

Cela affecte directement les performances des engrenages. Afin d'éviter cela, nous devons ajuster le nivellement du lit ou, dans le slicer, ajuster la valeur de décalage du Gcode. Bien sûr, nous devons faire quelques tests d'impression afin de savoir quelle valeur conviendra à notre imprimante. Dans mon cas, c'était une valeur de 0,1 mm, et donc les engrenages sortaient parfaitement.

Il existe également un autre moyen d'éviter les effets de dents d'éléphant, à savoir imprimer les engrenages avec un radeau sous la pièce, mais encore une fois, vous devez faire des tests d'impression pour connaître les bons réglages. Si vous ne parvenez pas à les obtenir correctement, vous pouvez également chanfreiner les bords de l'engrenage à la main.

Quoi qu’il en soit, je voudrais remercier Creality pour m’avoir fourni cette imprimante 3D. La Creality K1C est vraiment une excellente imprimante 3D, un package complet avec de nombreuses fonctionnalités et une excellente qualité d'impression à grande vitesse. Découvrez-le sur :magasin Creality USA ; Magasin UE ; Amazone.

Test n°1 – Niveau sonore et efficacité

Ok, voyons maintenant comment les engrenages fonctionnent. Il s'agit de la première configuration de test. J'ai un moteur 12V DC sur lequel j'ai fixé un engrenage de 20 dents et module de 2,5.  Cet engrenage entraînera un autre engrenage avec le même nombre de dents, et à partir de là, nous pouvons observer deux choses :les niveaux de bruit que les engrenages produiront et leur efficacité. La tension fournie au moteur à courant continu sera la même pour chaque type d'engrenage, ce qui nous permet de suivre la consommation électrique nécessaire au fonctionnement des engrenages et donc leur efficacité.

Premièrement, les engrenages droits produisaient des niveaux sonores d’environ 77 dB et la consommation électrique était de 5,36 W à 5,61 W. Ensuite, les niveaux de bruit des engrenages hélicoïdaux étaient d'environ 75 dB et la consommation électrique de 5,61 W à 5,85 W. Enfin, les niveaux de bruit des engrenages à chevrons étaient d'environ 74 dB et la consommation électrique de 5,61 W à 6,1 W.

Ainsi, les résultats que nous avons obtenus correspondent à ce dont nous avons parlé plus tôt sur chaque type d’engrenage. Les engrenages droits consomment le moins d’énergie, ce qui signifie qu’ils sont le type le plus efficace, mais aussi le plus bruyant. Les engrenages hélicoïdaux et à chevrons étaient moins efficaces mais plus silencieux.

Test n°2 – Jeu

Ensuite, pour tester le jeu et la résistance des engrenages, nous utiliserons la configuration suivante. Un engrenage sera fixé avec 4 boulons et l'autre pourra tourner avec deux roulements qui y sont attachés. Les engrenages ont un module de 2,5 et ils sont tous imprimés en 3D avec les mêmes paramètres. 

Tout d’abord, je teste le jeu ou le jeu ou l’écart entre les deux engrenages droits en prise. Il y avait un jeu total dans les deux sens d'environ 2,5 mm à une distance de 10 cm.

Ensuite, les engrenages hélicoïdaux ont montré de meilleurs résultats. Il y avait un jeu total dans les deux sens d'environ 1,5 mm à 10 cm. Et au niveau des engrenages à chevrons, il y avait un jeu total dans les deux sens d'environ 1,8 mm à 10 cm.

Encore une fois, les résultats ont été comme prévu, les engrenages droits avaient un jeu plus important que les engrenages hélicoïdaux et à chevrons. 

Cependant, j'avais l'impression que ces tests étaient trop simples pour faire une comparaison appropriée, j'ai donc décidé de faire une autre configuration de test. J'ai fabriqué un réducteur à quatre étages, avec un rapport de réduction de 16:1, un scénario plus courant pour l'utilisation des engrenages.

Test n°3 – Réducteur de vitesse 16:1

L'idée ici était donc d'utiliser un moteur pas à pas NEMA 17 et, en quatre étapes avec un rapport de réduction de 2:1, d'obtenir un total de rapport de réduction de 16:1. Les engrenages menant ont 17 dents et les engrenages menés ont 34 dents. Le module des engrenages est 1.5.

Le réducteur à engrenages droits avait un jeu libre d'environ 2,5 mm en sortie à une distance de 10 cm. Ou pour être un peu plus précis, j'ai utilisé le dynamomètre pour appliquer une force particulière de chaque côté et capturer le déplacement à ce point. J'ai pris une force de 5N comme référence, et je l'utiliserai également pour les autres types d'engrenages.

De cette façon, j'ai obtenu un jeu total sur la barre de 4,4 mm à une distance de 10 cm. Pour exprimer ces mesures en unité de jeu, minutes d'arc, nous pouvons d'abord calculer l'angle de déplacement, alpha. Nous faisons cela à l’aide d’une trigonométrie simple, et l’angle est d’environ 2,52 degrés. Une minute d'arc équivaut à 1/60ème de degré. Ainsi, le jeu de cette boîte de vitesses droite est d’environ 151 minutes d’arc. 

La boîte de vitesses hélicoïdale avait un déplacement total d’environ 5,1 mm, ou traduit en minutes d’arc, soit 175 minutes d’arc. 

La boîte de vitesses à chevrons avait un déplacement total d’environ 4,9 mm, soit environ 168 minutes d’arc de jeu. 

Or, ces résultats sont à l’opposé des premiers tests. Ici, les engrenages droits ont montré de meilleurs résultats de jeu que les deux autres types. Je veux dire, je peux donner quelques raisons pour lesquelles il en est ainsi. Nous pouvons remarquer que les arbres de la boîte de vitesses ont un petit déplacement lorsque la force est appliquée, car ils ne sont soutenus que d'un côté, et cela affecte les résultats.

Une autre chose est qu'il y a du jeu entre les roulements et les engrenages. Il est en fait difficile d’imprimer en 3D des pièces qui s’adapteront parfaitement à certaines pièces mécaniques. J'ai essayé d'ajouter du ruban adhésif aux roulements pour resserrer cet écart et réduire le jeu.

Cela a aidé ; les engrenages sont devenus plus serrés mais rien ne garantit qu'ils seront les mêmes pour chaque engrenage. Bien sûr, nous pouvons réduire la taille des trous pour les roulements, puis insérer le roulement dans l'engrenage avec une certaine force, mais cela pourrait avoir un effet négatif en termes d'efficacité. Il n'est pas possible de placer les deux roulements précisément sur le même axe en utilisant la force, ce qui provoquerait plus de résistance lorsque l'engrenage tourne.

Test n°4 – Efficacité du réducteur

Quoi qu'il en soit, pour mesurer l'efficacité de la boîte de vitesses, j'ai mesuré la force ou le couple que la boîte de vitesses produira au même niveau de tension du moteur pas à pas.

Avec les engrenages droits, j'ai obtenu une lecture maximale d'environ 32N de force. La force maximale de la boîte de vitesses hélicoïdale était de 28 N et pour les engrenages à chevrons, de 30,4 N de force. Ces résultats indiquent que les engrenages droits sont le type le plus efficace, mais encore une fois, ils sont tous trop proches.

Quel type d'engrenage imprimé en 3D est le plus résistant ?

Ensuite, pour tester la résistance des engrenages, j'utilise mon dynamomètre pour abaisser une barre attachée à l'engrenage à une distance de 20 cm et voir quand l'engrenage se brisera.

L’engrenage droit s’est cassé à 190 N de force, soit 38 Nm de couple. C'est beaucoup, mais si nous regardons l'engrenage de plus près, nous pouvons remarquer qu'il n'a pas échoué à cause de sa dent, mais plutôt à cause de l'intérieur ou du remplissage de l'engrenage.

Comme j'ai imprimé chaque engrenage avec les mêmes paramètres de filament et de découpage, j'ai obtenu des résultats similaires pour chaque type d'engrenage.

L'engrenage hélicoïdal s'est cassé à 213 N de force, soit 42,6 Nm, et l'engrenage à chevrons à 152 N de force, soit 30,4 Nm de couple. 

Ainsi, afin d'obtenir des résultats plus significatifs et de découvrir comment le type d'engrenage affecte réellement la résistance de l'engrenage, j'ai dû affaiblir les dents des engrenages. La résistance de l'engrenage est directement proportionnelle à la largeur et au module de l'engrenage.  J'ai donc imprimé en 3D de nouveaux engrenages avec un module inférieur de 2 et 12 mm de largeur.

J'ai également augmenté la distance par rapport à l'axe de rotation à 30 cm, il me sera donc plus facile de tirer vers le bas.

Maintenant, l'engrenage droit s'est rompu au niveau des dents, au lieu de casser tout l'engrenage, sous une force de 116 N, soit 34,8 Nm de couple.

On peut cependant remarquer ici que les quatre boulons retenant l'engrenage fixe se sont un peu pliés sous la force, et donc l'entraxe entre les engrenages a légèrement augmenté. Cela a amené le contact de charge tout en haut des dents, ce qui a en fait diminué la résistance des dents, mais ce n'est pas grave, car le même scénario sera le même pour les autres types d'engrenages, et les résultats seront donc comparables.

L'engrenage hélicoïdal s'est rompu sous une force de 112 N, soit 34 Nm de couple, ce qui est assez similaire à l'engrenage droit. 

Comme prévu, l'engrenage à chevrons a montré le meilleur résultat lors de ce test. Il est tombé en panne sous une force de 120 N, soit 36 Nm de couple.

Ainsi, la différence de résistance entre les trois types d’engrenages n’est pas si énorme, mais elle peut néanmoins être remarquée. On peut dire que l'équipement à chevrons est le plus solide.

Quoi qu’il en soit, les trois types d’engrenages sont en fait assez proches des résultats. La seule différence que j'ai vraiment pu remarquer entre eux était au niveau du réducteur 16:1, et c'est le niveau de vibrations.

Cependant, de manière très subjective, je ne pouvais le savoir qu'en touchant la barre de sortie lors d'une rotation à vitesse maximale. Les engrenages droits avaient un niveau de vibration nettement plus élevé. Les engrenages hélicoïdaux et à chevrons étaient beaucoup plus fluides.

Verdict

Donc, mon verdict final sur le meilleur type d’équipement en matière d’impression 3D est le suivant. Essayez d'éviter les engrenages droits, utilisez des engrenages à chevrons autant que possible et utilisez des roulements à billes capables d'accepter les forces axiales lors de l'utilisation d'engrenages hélicoïdaux. C'est tout !

Quel module pour les engrenages imprimés en 3D ?

Voyons maintenant comment le module affecte les performances de l'engrenage. Le module de l'engrenage définit la taille des dents et de l'engrenage lui-même. Ici, j'ai imprimé en 3D des engrenages avec cinq modules différents, de 1 à 2,5.

Les premiers à être testés sont les engrenages avec module de 1 et 50 dents. Ce sont tous des engrenages à chevrons et imprimés avec les mêmes paramètres. Les engrenages sont tombés en panne à une force de 98,3 N ou à un couple de 29,5 Nm. Il y avait des dents cassées sur les deux engrenages.

Viennent ensuite les engrenages avec module de 1,25 et 40 dents. Je modifie le nombre de dents afin que la taille de l'engrenage change de manière appropriée pour correspondre au banc d'essai qui a une distance centrale fixe entre les engrenages. Ces engrenages sont tombés en panne à une force de 126 N ou à un couple de 37,8 Nm.

Les engrenages avec module de 1,5 et 33 dents, ont cédé à 108N de force, soit 32,4Nm de couple. Cependant, il y avait ici un certain déplacement sur l'engrenage fixe et la pression était déplacée tout en haut des dents. En effet, les boulons étaient déjà pliés lors des tests précédents que j'effectuais sur cette plate-forme, les tests de résistance des matériaux que nous verrons plus tard.

Ce montage est uniquement destiné aux engrenages avec module de 1,5, car avec ce module je pourrais obtenir un entraxe de 49,5 mm, et avec tous les autres modules, 1, 1,25, 2 et 2,5, je pourrais obtenir un entraxe fixe de 50 mm en changeant le nombre de dents.

Ensuite, les engrenages avec module de 2 et 25 dents, se sont cassés à 149N de force, soit 44,7Nm de couple.

Les engrenages avec module de 2,5 et 20 dents sont tombés en panne à 121 N de force ou 36,3 Nm de couple. En fait, ici, c'est tout l'engrenage qui s'est cassé au lieu des dents, car, je suppose, le remplissage était de 30 % sur cet engrenage. J'ai imprimé en 3D un autre engrenage avec 45 % de remplissage, et celui-là a échoué de la même manière, avec une force de 124N.

Ensuite, j'en ai imprimé un autre en 3D, cette fois avec un remplissage à 100 %. Maintenant, cela n’a pas cassé tout l’équipement. Il s'est cassé au niveau des dents, mais avec exactement la même force de 124N.

Cela n'avait aucun sens, il aurait dû être plus solide, mais le problème ici, je pense, était que j'ai utilisé une bobine plus ancienne du même filament bleu pour cet équipement. Cela peut faire une différence en fonction de l'âge ou de l'humidité du filament lors de l'impression 3D. De plus, chaque marque de filament PLA a une résistance différente, et même la même marque mais une couleur différente fait une différence dans la résistance du matériau. Par conséquent, j'ai imprimé en 3D un autre équipement avec un remplissage à 100 %, cette fois avec le filament Creality Hyper PLA. Maintenant, l'engrenage s'est cassé au niveau des dents et sous une force de 156,4 N, soit 47 Nm de couple.

Ainsi, pour résumer ces tests, plus le module ou les dents des engrenages sont gros, plus ils sont solides. Je veux dire, c'est évident et logique.

Il en va de même pour la largeur de l'engrenage. Si nous voulons un équipement plus solide, nous pouvons également augmenter la largeur de l'engrenage.

Le remplissage de l'engrenage contribue également à la solidité de l'engrenage. Je recommande un minimum de 35 % de remplissage lors de l'impression 3D d'engrenages, et jusqu'à 100 % de remplissage si nécessaire. Cependant, le paramètre le plus important est probablement le nombre de lignes de mur, que je recommande d'être de 5 ou plus.

Quel matériau est le plus résistant pour les engrenages imprimés en 3D ?

Enfin, découvrons quel matériau est le plus résistant pour les engrenages d’impression 3D. Pour ce test, j'utiliserai des engrenages droits avec module de 1.5.

Le premier à tester est le filament PLA. Les engrenages se sont cassés sous une force de 116,9 N, soit 35 Nm.

Le prochain jeu d'engrenages est imprimé en filament PLA-Carbon-Fiber de Creality. Ces engrenages ont échoué 111N.

Vient ensuite le filament ABS. Celui-ci a échoué à environ 90 N de force. Cependant, cela s’est produit plus progressivement que le PLA. L'ABS peut résister à une certaine flexion ou déformation avant de se briser, ce qui est une bonne caractéristique dans certains cas.

Ensuite, les engrenages du filament ASA se sont cassés à une force de 120,9 N. L'ASA se comportait comme une combinaison de PLA et d'ABS, ils étaient aussi résistants que le PLA, voire 4N plus résistants, mais présentaient encore un peu de flexion ou de déformation avant de se briser comme l'ABS.

Ensuite, les engrenages à filament PETG ont cédé à une force de 87,2 N. Celui-ci a également eu un peu de déformation avant de se casser.

Enfin, j'ai essayé d'imprimer les engrenages avec du Nylon ou du PA. Ce matériau est le plus difficile à imprimer, mais la Creality K1C a réussi à l'imprimer.

Cependant, les résultats sont vraiment très bons. Les engrenages ont cédé sous une force de 66N, mais je ne pense pas que ce soit la véritable résistance d’un filament de nylon approprié. Je l'ai acheté il y a environ un an auprès d'une source inconnue, c'est plutôt mauvais.

Dans l'ensemble, les résultats que j'ai obtenus de ce test étaient assez précis et correspondaient à ce tableau des propriétés des filaments de Simplyfy3D.

Les engrenages PLA avaient la plus grande résistance, mais aussi la plus grande rigidité. En revanche, les engrenages ASA présentent la même résistance que le PLA, tout en ayant une rigidité moindre, tout comme l'ABS.

Durabilité

Maintenant, en ce qui concerne la durabilité des matériaux, je voulais faire un test de durabilité avec la configuration du réducteur 16:1, et voir quel matériau est le plus durable pour les engrenages imprimés en 3D, mais je n'ai pas réussi à le faire.

J'ai commencé à faire les tests, mais les vitesses étaient étonnamment bonnes et ne pouvaient pas échouer au test même après environ 1 heure d'essorage, même avec une charge importante sur la barre de sortie. Le test était trop bruyant et mon studio ou atelier actuel ne m'a pas permis de réaliser ce test correctement, ou suffisamment longtemps.

Quoi qu'il en soit, à l'avenir, j'essaierai de faire ce test de durabilité, et je partagerai les résultats dans la description de cette vidéo et dans l'article du site.

Pour l'instant, vous pouvez utiliser le tableau mentionné ci-dessus comme référence car il correspond également à mes tests. Je mettrai également un lien vers dans la description.

J'espère que vous avez apprécié ce tutoriel et appris quelque chose de nouveau