CNC vs impression 3D : entraînement cycloïdal 19:1 – conception, assemblage, performances

Introduction

Nouvelle version cycloïdal 19:1 (précédente 15:1) : comparaison pièces usinées CNC vs imprimées 3D. Conception, assemblage, tests précision/charge avec NEMA 17 et NEMA 23.

Rappel : cycloïdal = réducteur compact/robuste, rapport élevé. 5 composants : arbre entrée rapide, palier excentrique, deux disques cycloïdaux, couronne à goupilles/rouleaux, arbre sortie lent + goupilles/rouleaux. Arbre entrée → excentrique → disques en mouvement épicycloïdal dans couronne → rotation inverse réduite. Rapport = Nb goupilles couronne - 1. Précédent : 15:1, Ø115 mm. Ici : plus compact via bagues (pas roulements) plus petites.

Conception

Rouleaux Ø8 mm (bagues dispo). Rapport 19:1 → 20 rouleaux. Esquisse 20 rouleaux Ø8 sur cercle → diamètre primitif couronne minimal. Excentricité < ½ Ø rouleau. 4 paramètres entrée pour profil disque : N, Rr, R (diamètre primitif/2), E.

Profil = cycloidale / épitrochoïde. Équations Omar Younis (SOLIDWORKS Education) → Courbe pilotée par équation SOLIDWORKS (sponsor, même offre Makers).

Valeurs : i=19:1, N=20, Rr=4, R=33, E=1 :

x = (33*cos(t))-(4*cos(t+arctan(sin((1-20)*t)/((33/(1*20))-cos((1-20)*t)))))-(1*cos(20*t))
y = (-33*sin(t))+(4*sin(t+arctan(sin((1-20)*t)/((33/(1*20))-cos((1-20)*t)))))+(1*sin(20*t))

t ∈ [0, 2π[ (légèrement < 2π → gap → spline). Extrusion + trous excentrique + sorties. Ø trous sortie = Ø goupille + 2E = 8 + 2 = 10 mm.

Modèle 3D et fichiers

• Fichier STEP sur Thangs (visualisation navigateur + téléchargement)
• STL pour impression 3D
• Fichiers SOLIDWORKS
• Dessins techniques (commande CNC)

Commande pièces CNC

Via PCBWay (sponsor) : PCB + usinage CNC + impression 3D + tôlerie + injection. Upload modèle 3D, choix matériau. Aluminium pour la plupart, acier inoxydable pour disques cycloïdaux (plus résistant). Finitions : anodisé, brossé, peinture, rugosité, tolérances. Dessins joints pour tolérances serrées. Multi-pièces, devis unique. Livraison dans délais, bien emballées. Satisfaction : voir son design en métal.

Version 3D : PLA. Expansion horizontale 0,02 mm, expansion trous 0,07 mm (compenser rétrécissement trous). Essais nécessaires par imprimante.

Assemblage

Composants : goupilles 6 mm (L30×20, L22×6), bagues 8 mm (L20×20, L15×6), roulements 6807×2, 6803×2, inserts filetés, vis M3/M4.

Version CNC (d'abord)

1. Accouplement arbre sur NEMA 17 (2 mm devant plaque, 2 vis sans tête). Plaque base sur moteur (4 vis M3).
2. Carter couronne : 20 bagues 8 mm × 20 mm (2×10 mm faute de dispo). Goupilles 6 mm × 30 mm, ajustement serré (force requise).
3. Carter sur plaque base + bague d'écartement (maintien rouleaux sortie).
4. Arbre excentrique sur accouplement : 2 roulements 17×26 mm (ajustement serré = force).
5. 2 disques cycloïdaux sur excentrique (ajustement serré = force). Disques commandés revêtement poudre par erreur → surépaisseur, tolérance faussée. Bague d'écartement entre disques (sécurité si jeu).
6. Insertion disques dans carter : problème – pas de jeu/décalage sur profil équations + poudre + bagues légèrement >8 mm → disque ne rentre pas. Solution : nouveaux disques commandés + essai ponçage rotatif (solution imparfaite mais testable).
7. Disques 180° déphasés (trou repère : retourner un disque + aligner trous).
8. Arbre sortie : 6 goupilles 6 mm × 22 mm (ajustement serré = force). Bagues 8 mm × 15 mm (pas dispo → 10 mm + rondelles). 1 seule rondelle utilisée (liens BOM corrigés).
9. Bague d'écartement + roulement support entrée/sortie → insérer arbre sortie dans trous disques.
10. Bague d'écartement + roulement 35 mm ID sur arbre sortie.
11. Couvercle + 6 vis M6 × 45 mm. Terminé. Design très réussi.

Version 3D : même procédure + inserts filetés arbre sortie.

Tests

Note : version CNC nettement plus lourde.

Couple

Les deux : ~45 N à 10 cm = 450 Ncm. CNC légèrement plus constant. NEMA 17 28 Ncm → augmentation 16×. Rendement ~85 % (théorique 19×).

Avec NEMA 23 : conception permet swap (changer plaque base + accouplement arbre plus gros). Démontage version 3D : usure déjà visible sur disques (plus côté « fond » impression → sur-extrusion premières couches).

Bâton pin 10 cm → 130 N à 25 % puissance (limite dynamomètre 200 N). Bâton pin 50 cm casse à 50 N. Contreplaqué 50 cm : 60 N = 30 Nm. À 20 cm : 170 N = 34 Nm. NEMA 23 2,1 Nm → 16× / 85 % (identique NEMA 17).

Version 3D NEMA 23 : 65 N à 20 cm = 13 Nm (vs 34 Nm CNC). Version 3D ne tient pas la charge. Insert fileté arraché.

Jeu (backlash)

Répétabilité bonne (CNC + 3D). Sous charge :

• CNC : ~4 mm jeu à ~12 cm (force deux sens).
• 3D : ~7 mm jeu à ~15 cm.

Causes : bagues imprécises + ponçage manuel disques (poudre) → jeu irrégulier selon position.

Conclusion

Meilleurs résultats possibles avec bagues précises + disques usinés avec jeu/décalage correct. Version 3D : précision améliorable via expansion horizontale, durabilité via disques plus larges/meilleur contact. Je réutiliserai ce type de cycloïdal dans futurs projets robotiques.