3D 프린팅 기능용 기어와 스프로켓: 궁극적인 가이드

3D 프린팅은 단순한 모델을 넘어 기능성 엔지니어링의 영역으로 진입했습니다. 맞춤형 기어 및 스프로킷 제조는 이러한 진화의 대표적인 예입니다. 이 가이드는 내구성이 뛰어나고 신뢰할 수 있는 3D 프린팅 기계 부품을 제작하기 위한 완벽한 워크플로우를 제공합니다. CAD의 초기 설계 원리부터 고급 슬라이서 설정 및 재료별 후처리까지 모든 것을 다룰 것입니다. 이러한 단계를 따르면 보기 좋은 부품이 아닌, 작동하는 부품을 생산하는 데 도움이 될 것입니다.

기어 또는 스프로킷을 3D 프린팅해야 하는 이유와 시기

3D 프린팅은 기어 생산에 고유한 이점을 제공합니다. 이 기술은 신속한 프로토타입 제작을 가능하게 하여 엔지니어가 설계를 빠르게 테스트할 수 있도록 합니다. 또한 비표준 부품 제작을 위한 타의 추종을 불허하는 맞춤화를 제공합니다. 소량 생산의 경우 3D 프린팅은 기존 가공 방식의 비용 효율적인 대안입니다.

주요 응용 분야 및 사용 사례

• 신속한 프로토타입 제작: 값비싼 제조에 들어가기 전에 적합성과 기능을 검증합니다.

• 맞춤형 기계: 로봇 공학 및 자동화 프로젝트에서 특정 변속비를 위한 기어를 제작합니다.

• 저토크 시스템: 높은 응력이 요인이 아닌 장치의 교체 부품을 제작합니다.

현실적인 성능 기대치 설정

제한 사항을 이해하는 것이 중요합니다. FDM(Fused Deposition Modeling)으로 인쇄된 부품은 본질적으로 비등방성이므로 Z축(레이어 라인)을 따라 약합니다. 사출 성형 또는 가공된 금속 기어의 강도와 내마모성을 따라갈 수 없습니다. 이 가이드는 이러한 제약 내에서 성능을 극대화하는 데 중점을 둡니다.

기어 설계 원리: CAD에서 성공 구축

성공적인 기능성 기어는 견고한 설계에서 시작됩니다. 잘못된 설계 선택은 최고의 프린터나 재료로도 해결할 수 없습니다. 목표는 FDM 인쇄 프로세스에 최적화된 기계적으로 건전한 모델을 만드는 것입니다.

기어 생성기와 함께 CAD 사용

Fusion 360, SolidWorks 또는 Onshape와 같은 전문 CAD 소프트웨어를 사용합니다. 이러한 프로그램은 종종 수학적으로 정확한 인벌루트 기어 프로파일을 생성하는 내장 스크립트 또는 플러그인을 특징으로 합니다. 이 프로파일은 기어 톱니가 서로 굴러갈 때 부드럽고 효율적인 동력 전달에 필수적입니다.

백래시(간극)의 중요한 역할

백래시는 3D 프린팅 기어에 대한 가장 중요한 설계 고려 사항입니다. 3D 프린터는 본질적인 치수 부정확성을 가지고 있습니다. 설계된 간극이 없으면 인쇄된 기어 톱니가 너무 빡빡해져서 묶이거나 고착될 것입니다.

• 작업: CAD 모델에서 톱니 프로파일에 작은 음수 오프셋(예: -0.1mm ~ -0.2mm)을 적용합니다. 이렇게 하면 부드러운 맞물림에 필요한 간극이 생성됩니다.

구조적 강도 최적화

• 필렛 추가: 각 기어 톱니의 뿌리에 필렛(둥근 모서리)을 적용합니다. 날카로운 모서리는 응력 집중을 생성하며, 이는 일반적인 파손 지점입니다. 필렛은 이 응력을 더 넓은 영역에 분산시킵니다.

• 기어 본체 최적화: 큰 기어의 경우 솔리드 본체는 낭비적입니다. 스포크 또는 구멍이 있는 웹 설계를 사용하여 재료 사용량과 인쇄 시간을 줄이면서 구조적 강성을 유지합니다.

재료 선택: 성능과 인쇄 가능성의 균형

필라멘트 선택은 기어의 최종 특성을 직접적으로 결정합니다. 모든 응용 분야에 완벽한 단일 재료는 없습니다. 이 결정에는 강도, 내마모성, 온도 허용 오차 및 인쇄 용이성 간의 절충이 포함됩니다.

프로토타입 제작용: PLA+ 및 PETG

• PLA+ / PLA: 높은 치수 정확도로 인쇄하기 쉽습니다. 초기 적합성 테스트 및 매우 낮은 부하 응용 분야에 이상적입니다. 그러나 부서지기 쉽고 열 변형 온도가 낮습니다.

• PETG: 훌륭한 만능 재료입니다. PLA보다 더 나은 인성 및 내화학성을 제공합니다. PETG는 극한의 마모에 직면하지 않는 기능성 부품에 대한 좋은 시작점입니다.

기능적 사용을 위해: 나일론

나일론은 기능성 기어에 가장 적합한 재료입니다. 뛰어난 인성과 낮은 마찰 계수를 가지고 있어 마모를 현저히 줄이는 자연적인 자체 윤활 특성을 제공합니다.

• 중요 참고 사항: 나일론은 흡습성이 매우 높습니다. 공기 중의 수분을 흡수합니다. 인쇄 실패 및 부서지기 쉬운 부품을 방지하려면 인쇄하기 전에 나일론 필라멘트를 완전히 건조하고 건조 상자에 보관해야 합니다.

고강도 응용 분야용: 강화 복합재

탄소 섬유 강화 나일론(CF-나일론)은 뛰어난 강성과 강도를 제공합니다. 강성이 가장 중요한 고응력 응용 분야에 적합합니다.

• 하드웨어 요구 사항: 탄소 섬유는 연마성이 있습니다. CF-나일론으로 인쇄하려면 경화 강철 노즐이 필요합니다 표준 황동 노즐의 빠른 마모를 방지하기 위해.

슬라이서 설정: 모델을 강력한 부품으로 변환

슬라이서 소프트웨어(예: Cura, PrusaSlicer, Simplify3D)는 3D 모델을 프린터에 대한 지침으로 변환합니다. 올바른 설정은 기어의 강도와 정확성을 극대화하는 데 중요합니다.

인쇄 방향은 협상 불가

항상 기어와 스프로킷을 인쇄판에 평평하게 인쇄합니다. 이 방향은 레이어를 기어 면에 평행하게 정렬합니다. 이렇게 하면 기어 톱니에 작용하는 전단력이 약한 레이어 간 결합이 아닌 필라멘트의 연속 가닥에 작용합니다.

벽 두께는 강도의 핵심

벽/둘레 수를 늘리는 것이 기어 톱니를 강화하는 가장 효과적인 방법입니다. 더 높은 수는 전체 톱니가 약한 인필이 아닌 솔리드 둘레로 구성되도록 합니다.

• 권장 사항: 벽 수를 4-6개로 설정합니다.

정확도 및 인필 미세 조정

• 레이어 높이: 더 작은 레이어 높이(예: 0.1mm - 0.15mm)를 사용합니다. 이렇게 하면 인벌루트 곡선에 대한 더 부드럽고 정확한 근사치가 생성됩니다.

• 인쇄 속도: 특히 외부 벽의 인쇄 속도를 줄입니다. 속도가 느리면 치수 정확도가 향상됩니다.

• 인필: Grid, Cubic 또는 Gyroid와 같은 강력한 패턴으로 높은 인필 밀도(50-100%)를 사용합니다.

후처리: 원시 인쇄물에서 완성된 부품까지

원시 인쇄물은 거의 완성된 부품이 아닙니다. 적절한 적합성, 마감 및 성능을 보장하기 위해 후처리 단계가 필요합니다.

기본 정리 및 치수 정확도

먼저 지지대, 가장자리 또는 인쇄 아티팩트를 제거합니다. 인쇄된 기어의 중앙 구멍은 종종 약간 작습니다. 드릴 비트 또는 리머를 사용하여 구멍을 액슬 또는 샤프트에 완벽하게 맞도록 정확한 목표 직경으로 가져옵니다.

수명 연장을 위한 윤활

윤활은 모든 기능성 기어에 필수적입니다. 마찰과 마모를 획기적으로 줄여 부품의 작동 수명을 연장합니다. 흰색 리튬 또는 실리콘 기반 윤활제와 같은 플라스틱 안전 그리스를 사용합니다.

고급: 궁극의 강도를 위한 어닐링

나일론과 같은 재료의 경우 어닐링은 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다. 이 프로세스에는 부품을 녹는점 이하의 오븐에서 가열한 다음 천천히 냉각하는 과정이 포함됩니다. 어닐링은 인쇄 프로세스에서 내부 응력을 완화하고 폴리머의 결정성을 높여 더 강하고 질긴 부품과 더 나은 레이어 접착력을 얻습니다.

테스트, 반복 및 문제 해결

첫 번째 인쇄물이 완벽하지 않을 수 있습니다. 3D 프린팅의 힘은 빠른 반복에 있습니다. 부품을 테스트하고 실패를 학습 기회로 활용하십시오.

결론: 3D 프린팅 기어의 황금률

기능성 기어와 스프로킷을 3D 프린팅하는 것은 체계적인 프로세스입니다. 모든 단계에서 세부 사항에 주의를 기울여야 합니다. 설계, 재료 과학 및 인쇄 설정을 통합하여 프로젝트의 요구 사항에 맞게 조정된 강력한 기계 부품을 만들 수 있습니다.

다음 네 가지 황금률을 기억하십시오.

1. 백래시로 설계: 항상 CAD 모델에 간극을 추가합니다.

2. 두꺼운 벽으로 평평하게 인쇄: 부품을 침대에 평평하게 놓고 4개 이상의 둘레를 사용합니다.

3. 올바른 재료 선택: 기능적이고 내마모성 부품에 나일론을 사용합니다.

4. 항상 윤활: 소량의 그리스는 서비스 수명을 획기적으로 연장합니다.

프로젝트에서 폴리머가 제공할 수 있는 것 이상의 성능이 요구되는 경우 산업 등급 결과를 위해 금속 3D 프린팅을 제공하는 전문 제조 서비스를 고려하십시오.