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【Let’s 3D Print!】 ねじと歯車を3Dプリントしてみる!【ウォームギア編】

すけろく
3Dプリンターは作った。
実際に稼働部品というのは、3Dプリントできるのだろうか・・・
げんろく
そうだな。
品質を確認するために、機械部品をプリントしてみるか。
すけろく
何かおススメの構造はあるか?
げんろく
ウォームギアを使った垂直な運動変換なんかどうだ?
2つのギアの組み合わせで運動が伝わるかを確認できる。
すけろく
よし!
やってみよう!
前回の記事で、「ORIGINAL PRUSA i3 Mk3S+」を自作して、テストプリントしてみました。
しかし、まだ、印刷品質を試してみたいものがいろいろあります。
今回は、3Dプリンターを導入した理由の一つである、稼働部品(ネジ、歯車)の印刷を行ってみようと思います!
目標としては、手で運動を入力した結果、運動方向を垂直方向に変換して伝えるウォームギアというものを考えます。
今回使用した3Dプリンター「ORIGINAL PRUSA i3 MK3S+」はこちらからどうぞ!

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ちなみに「HARIBO」というお菓子もついている(笑)ので楽しみながら組み立てられます。

3Dプリンター(組み立て済み)

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オープンソースの3Dプリンターの仕様を作った技術者が作った会社の3Dプリンターです。この商品は、すでに完成済みで調整もされているものです。私は自作キットのほうを購入しましたが、非常によくできた製品で、印刷品質も高いので非常に満足できます。
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ウォームギアの構造

今回作るウォームギアのイメージは次の通りです。
構造としてはシンプルで、ハンドルを回すとウォームが回転し、はすば歯車が回転します。はすば歯車の軸は、ハンドルの軸とは直角方向になります。
今後作成したいギアの構成として、複数ギアを組み合わせたものを考えていきたいので、おまけにはすば歯車をもう一つ追加しています。
中心のはすば歯車にはウォームから受ける24T(歯数24枚)と、おまけのはずは歯車に力を伝える8T(歯数8枚)のものを組み合わせたものを考えてみます。
また、中心のはすば歯車は軸にきちんと固定するためのしくみとしてイモネジを使った固定方法を作ってみたいと思います。

3Dモデルを作ってみる

では、3Dプリンターの印刷で使用する3Dモデルを作成します。

今回のモデルは、以下の2点を考慮する必要があります。

  • ウォームギア自体のモデル化
  • ウォームギアを固定するためのフレームのモデル化

ウォームギア自体のモデル化

まずは、ウォームギアの組み合わせを作っていきます。
今回もAutoDesk Fusion360をつかってモデル化していきます。完成形は次のようなイメージです。
赤色:ウォーム(ねじ歯車)
緑色:はすば歯車(ウォームから受ける24Tの歯車と8Tの歯車の合体版)
白色:はすば歯車(緑色のギアの8Tから受ける32Tの歯車)

 赤色:ウォームの構造

ウォームは、円柱にねじの歯が彫られているような形のものを作りました。
歯と歯の間は4㎜で設定しました。φ17㎜で、ハンドル取り付けようとしてφ3㎜の穴をあけています(一部切り欠きあり)。

緑色:はすば歯車の構造

2つの歯車の合体版の歯車です。ウォームから受ける歯車は24枚の歯を持つ歯車にしています。
もう一方の歯車は歯数が8枚のモジュール1の歯車にしています。
少し複雑な構造になりますが、軸に歯車を固定するために、歯車の中心軸に対して垂直に3㎜のイモネジを占めこんで固定するためねじ穴を作成しています。(このあたりが印刷うまくいくかが勝負です)

白色:はすば歯車の構造

差後におまけのはすば歯車です。こちらは、緑色の歯車よりもゆっくりと回すために歯数を32T(32枚)にします。
この歯車は比較的簡単な作りです。モジュール1で作っています。

ウォームギアを固定するためのフレームのモデル化

出来上がったウォームギアを固定するためのフレームを作成します。
すでにウォームギアは作成済みなので、ギア自体に干渉しないようにフレームを作ってみました。
フレームは、2つのバーツで構成し、ギアを挟み込むようにして固定するためのねじ穴を設けています。
ウォームギアを組み込んだイメージは次のとおりです。

印刷用のデータを制作する

モデル化ができたら、モデルをエクスポートして、3Dプリント用のデータに変換します。
データの変換には、3Dプリンター「ORIGINAL PRUSA i3 Mk3S+」用の「PrusaSlicer」を使用します。
モデルデータを読み込んで、印刷イメージを作っていきます。
今回は2回(ウォームとその他のパーツ)に分けて印刷してみます。
印刷イメージ(スライス実行結果)は次のようになりました。

歯車とフレームの印刷データ作成(スライス実行)

歯車2つとフレーム2つの計4つのデータを一つの印刷データとしてまとめました。
ウォームは、高さが他のパーツとかなり異なるため別で印刷データを作ります。

印刷時間は、約4h48mです。

ウォームの印刷データ作成(スライス実行)

ウォームは、立てて印刷するように配置して印刷データを作りました。
これは縦方向の積層のほうがきれいに出ているので、ウォームの歯部分が綺麗に印刷できると考えたからです。

印刷時間は約57mです。

 

ORIGINAL PRUSA i3 Mk3S+で印刷する

準備ができたので、印刷しました。

印刷の様子などは動画にしましたのでご参考にしてください。

 

 

印刷結果と組み立て

印刷したものを組み立ててみました。

 

組み立て時の軸や固定用ネジの取付穴の精度

歯車の軸に使った3㎜シャフト、フレーム固定用のM3シャフトネジ用の穴についても、きちんと入り、固定できました。

穴の精度もOKですね。

これまでの実績から、シャフトやネジ用の穴を作るときは以下の点に注意したほうが良さそうです。

取り付けつもの 3Dデータ作成時の穴径の設定
ネジ(M3ネジなど) ネジの仕様と同じで設定
(M3ネジの場合はΦ3㎜でもOK)
シャフトネジ
(一部がシャフトになっているネジ)
シャフト部分の使用よりも穴径を0.25㎜大きく設定
シャフト シャフト部分の仕様よりも穴径を0.25㎜大きく設定

 

ちなみに、今回フレームの固定と歯車の軸として、次のものを使用しました。
安定のタミヤ。使いやすい値ごろ感も好感が持てます。

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3㎜径の長さ100㎜、150㎜のシャフトが入っているセットです。
長さ150㎜は六角シャフトのみです。長さ100㎜は六角シャフト、丸シャフト、両ネジ差シャフトが各2本ずつ入っています。
意外と付属しているクランクとイモネジのセットは使い勝手が良い部品ですよ。

<含まれるもの>
・六角シャフトおよび丸シャフト、両ネジシャフトなど
・ネジ、イモネジ、クランク、ナット類(M3のみ)

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シャフト部とネジ部がついているシャフトネジが入っています。
<含まれるもの>
・φ3(23㎜)8本、φ3(32㎜)10本、φ4(18㎜)10本
・ワッシャー、ナット類(M3のみ)

 

ウォームギアの各歯車の組み合わせ具合

次に歯車の組み合わせですが、CADデータと同じように組み合わせはバッチリでした。

動かしてみましたが詰まることもなく、スムーズに動きます。

 

今回、3Dプリントで歯車を作ってみた結果、3Dプリンターでも実際に試作に使えるものが印刷できることがわかりました。

いや~「ORIGINAL PRUSA i3 Mk3S+」すごいな。

印刷表面は、積層痕が見えていますが、手で触った感触はフラットに近いため、少しサンドペーパーなどで磨いてからサーフェーサーと塗装を行うことで、ぐっと品質を上げられそうだなと感じました。

今回作ったものを、一度塗装してみてみたいですね。(後日、ご紹介するかも)

 

編集後記

いかがだったでしょうか。

今後、ギアなどの稼働部品を試作する際にも3Dプリンター「ORIGINAL PRUSA i3 Mk3S+」は使えることがわかりました。

いままで、作りたくても作れなかった機械構成も工夫次第で、実現できると実感しています。

後は、品質を上げるために、印刷後に後処理(研磨、塗装など)についてもテストしたくなってきました。

このあたりについても今後、ご紹介できたらいいですね!

ご期待ください!

 

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