3Dプリンターで作る機能的なギアとスプロケット：究極ガイド

3Dプリンターは、単純なモデルを超えて、機能的なエンジニアリングの領域へと進出しました。カスタムギアやスプロケットの製造は、この進化の好例です。このガイドでは、耐久性と信頼性の高い3Dプリントされた機械部品を作成するための完全なワークフローを提供します。CADでの初期設計原則から、高度なスライサー設定、材料固有の後処理まで、すべてをカバーします。これらの手順に従うことで、見た目が良いだけでなく、機能する部品を製造するのに役立ちます。

なぜ、そしていつギアまたはスプロケットを3Dプリントするのか

3Dプリンティングは、ギア製造に独自の利点を提供します。この技術により、迅速なプロトタイピングが可能になり、エンジニアは設計を迅速にテストできます。また、非標準部品を作成するための比類のないカスタマイズも提供します。少量生産の場合、3Dプリンティングは従来の機械加工に代わる費用対効果の高い代替手段です。

主な用途と使用例

• ラピッドプロトタイピング：高価な製造に着手する前に、適合性と機能を検証します。

• カスタム機械：ロボット工学および自動化プロジェクトで、特定の伝達比率のギアを構築します。

• 低トルクシステム：高負荷が問題とならないデバイスの交換部品を作成します。

現実的なパフォーマンスの期待を設定する

制限を理解することが重要です。FDM（熱溶解積層）プリント部品は本質的に異方性であり、Z軸（層線）に沿って弱くなります。射出成形または機械加工された金属ギアの強度と耐摩耗性には匹敵しません。このガイドでは、これらの制約内でパフォーマンスを最大化することに焦点を当てています。

ギア設計原則：CADで成功を築く

成功する機能ギアは、堅実な設計から始まります。設計の選択が悪いと、最高のプリンターや材料でも修正できません。目標は、FDM印刷プロセスに最適化された、機械的に健全なモデルを作成することです。

ギアジェネレーター付きCADを使用する

Fusion 360、SolidWorks、OnshapeなどのプロフェッショナルなCADソフトウェアを使用します。これらのプログラムには、数学的に正しいインボリュートギアプロファイルを生成する組み込みスクリプトまたはプラグインがよくあります。このプロファイルは、ギアの歯が互いに転がり合うため、スムーズで効率的な動力伝達に不可欠です。

バックラッシュ（クリアランス）の重要な役割

バックラッシュは、3Dプリントギアで最も重要な設計上の考慮事項です。3Dプリンターには、固有の寸法誤差があります。設計された隙間がないと、プリントされたギアの歯がきつすぎて、結合または固着します。

• アクション：CADモデルで、歯のプロファイルに小さな負のオフセット（例：-0.1mm〜-0.2mm）を適用します。これにより、スムーズな噛み合いに必要なクリアランスが作成されます。

構造強度最適化

• フィレットを追加する：各ギアの歯の根元にフィレット（丸みを帯びたコーナー）を適用します。鋭いコーナーは応力集中を引き起こし、これは一般的な故障点です。フィレットは、この応力をより広い領域に分散させます。

• ギア本体を最適化する：大きなギアの場合、ソリッドボディは無駄です。材料の使用量と印刷時間を削減しながら、構造的な剛性を維持するために、スポークまたは穴のあるウェブ設計を使用します。

材料選択：パフォーマンスと印刷性のバランス

フィラメントの選択は、ギアの最終的な特性を直接決定します。すべての用途に最適な材料は1つもありません。この決定には、強度、耐摩耗性、耐熱性、および印刷の容易さのトレードオフが含まれます。

プロトタイピングの場合：PLA+およびPETG

• PLA+ / PLA：高い寸法精度で簡単に印刷できます。初期の適合性テストや非常に低負荷の用途に最適です。ただし、もろく、熱変形温度が低いです。

• PETG：優れたオールラウンダーです。PLAよりも優れた靭性と耐薬品性を提供します。PETGは、極端な摩耗にさらされない機能部品の優れた出発点です。

機能的な使用の場合：ナイロン

ナイロンは、機能的なギアに最適な材料です。優れた靭性と低い摩擦係数を備えており、自然な自己潤滑特性を提供し、摩耗を大幅に軽減します。

• 重要な注意点：ナイロンは非常に吸湿性があり、空気中の水分を吸収します。印刷前にナイロンフィラメントを完全に乾燥させ、印刷の失敗やもろい部品を防ぐために、乾燥ボックスに保管する必要があります。高強度用途の場合：強化複合材

カーボンファイバー強化ナイロン（CF-ナイロン）

は、優れた剛性と強度を提供します。剛性が最も重要な高応力用途に適しています。ハードウェア要件：

• カーボンファイバーは研磨性があります。CF-ナイロンでの印刷には、標準の真鍮ノズルの急速な摩耗を避けるために、硬化鋼ノズルが必要です。スライサー設定：モデルを強力な部品に変換する

スライサーソフトウェア（例：Cura、PrusaSlicer、Simplify3D）は、3Dモデルをプリンターの指示に変換します。適切な設定は、ギアの強度と精度を最大化するために不可欠です。

印刷方向は交渉不可

常にギアとスプロケットを印刷ベッドに平らに印刷します。

この方向は、ギアの面に平行に層を配置します。これにより、ギアの歯にかかるせん断力が、弱い層間結合ではなく、フィラメントの連続ストランドに対して作用することが保証されます。壁の厚さは強度への鍵

壁/周囲の数を増やす

ことは、ギアの歯を強化する最も効果的な方法です。数が多いほど、歯全体が弱いインフィルではなく、ソリッドな周囲で構成されることが保証されます。推奨事項：壁数を4〜6周囲に設定します。

• 精度とインフィルを微調整する層の高さ：

小さい層の高さ（例：0.1mm〜0.15mm）を使用します。これにより、インボリュート曲線のよりスムーズで正確な近似が作成されます。

• 印刷速度：特に外壁については、印刷速度を下げます。速度を遅くすると、寸法精度が向上します。

• インフィル：Grid、Cubic、Gyroidなどの強力なパターンで、高いインフィル密度（50〜100％）を使用します。

• 後処理：生のプリントから完成した部品へ生のプリントは、完成した部品になることはめったにありません。適切な適合性、仕上げ、およびパフォーマンスを確保するには、後処理の手順が必要です。

基本的なクリーンアップと寸法精度

まず、サポート材、ブリム、または印刷アーティファクトを取り除きます。プリントされたギアの中心穴は、わずかに小さくなることがよくあります。

ドリルビットまたはリーマ

を使用して、穴を車軸またはシャフトに完全に適合するように正確な目標直径にします。長寿命のための潤滑潤滑は、すべての機能ギアに不可欠です。

摩擦と摩耗を劇的に減らし、部品の動作寿命を延ばします。ホワイトリチウムまたはシリコンベースの潤滑剤などのプラスチック安全グリースを使用してください。

高度：究極の強度のためのアニーリングナイロンなどの材料の場合、アニーリングはパフォーマンスを大幅に向上させることができます。このプロセスには、部品を融点以下のオーブンで加熱し、ゆっくりと冷却することが含まれます。アニーリングは、印刷プロセスからの内部応力を緩和し、ポリマーの結晶性を高め、より強く、より靭性のある部品とより優れた層接着をもたらします。

テスト、反復、トラブルシューティング

最初のプリントが完璧ではない場合があります。3Dプリンティングの力は、迅速な反復にあります。部品をテストし、失敗を学習の機会として使用します。

問題

考えられる原因

次の4つの黄金律を覚えておいてください。

バックラッシュで設計する：

常にCADモデルにクリアランスを追加します。

1. 厚い壁で平らに印刷する：部品をベッドに平らに配置し、4つ以上の周囲を使用します。

2. 適切な材料を選択する：機能的で耐摩耗性の部品にはナイロンを使用します。

3. 常に潤滑する：少量のグリースは、耐用年数を劇的に延ばします。

4. プロジェクトがポリマーで提供できる以上のパフォーマンスを要求する場合は、工業グレードの結果を得るための金属3Dプリンティングを提供する専門の製造サービスを検討してください。