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ED 039

A engrenagem que lascou dois dentes na volta 200

Doze peças do mesmo arquivo em duas folgas: quatro travadas antes da oitava volta, três dentes lascados e cinco lisas aos 500 giros.

Engrenagem em PLA cinza engrenada na cremalheira sobre a bancada.

Engrenagem de 20 dentes sobre a cremalheira

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"Folga é defeito, aperta tudo." Foi a frase que emperrou quatro engrenagens antes da oitava volta da manivela. Folga de dente, o backlash (a sobra que existe entre o flanco do dente e a parede do vão quando o par está encostado), nasce no desenho de propósito. Ela é o espaço que o dente precisa pra entrar e sair do vão sem raspar nos dois lados ao mesmo tempo. Com ela zerada no arquivo, o PLA impresso chega ao encaixe já apertado e a peça vira um bloco travado.

A bancada montou o teste com uma engrenagem reta de módulo 2, 20 dentes, 40 milímetros de diâmetro primitivo e 6 de espessura, correndo sobre uma cremalheira de 120 milímetros presa num suporte de MDF. O arquivo é um só, exportado duas vezes: uma com 0,1 milímetro de folga por flanco, outra com 0,2. Seis cópias de cada saíram da mesma impressora, mesmo rolo de PLA cinza, 205 graus de bico, mesa a 60, camada de 0,2, três paredes e 30 por cento de preenchimento em grade.

Doze peças, uma manivela de alumínio parafusada no eixo e um contador de voltas mecânico no mancal. O alvo: 500 voltas completas em cada engrenagem, giradas à mão, sempre no mesmo sentido, com pausa de dois minutos a cada 100 voltas pra medir a temperatura do dente com termômetro infravermelho apontado a 5 centímetros.

O critério ficou combinado antes da primeira volta. Travamento é a engrenagem que para de girar com força de mão adulta e precisa de alavanca. Dente lascado é pedaço de material destacado do flanco, visível na lupa de 10 vezes, com o fragmento recolhido e guardado num saquinho numerado. Marca de polimento e brilho no flanco não contam como dano, porque aparecem em toda peça que roda.

Nenhuma engrenagem levou graxa, silicone ou talco. A prova aqui é da geometria, e lubrificante esconde o defeito de projeto atrás de uma película.

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I Projeto da Semana

Quatro travadas antes da oitava volta

Das seis engrenagens com 0,1 milímetro de folga, quatro travaram: a primeira na terceira volta, duas na quinta e uma na oitava. As outras duas giraram com esforço visível na manivela e lascaram dente antes das 200 voltas, uma na volta 137 e a peça de número 5 na volta 200, com dois dentes vizinhos partidos de uma vez.

Nenhuma das seis engrenagens de 0,1 milímetro chegou às 500 voltas, enquanto cinco das seis de 0,2 milímetro completaram o teste inteiro girando lisas. A sexta da leva de 0,2 perdeu um dente na volta 411, depois que um fiapo de filamento cinza entrou no vão e virou calço.

O torque conta o resto da história. Um torquímetro de estalo de bancada, acoplado no eixo na volta 50 de cada peça, marcou 0,42 newton metro pra girar as de 0,1 milímetro e 0,17 pra girar as de 0,2. Quem gira à mão sente essa diferença como peso, e foi por isso que o teste usou torquímetro: mão cansada mente sobre o esforço.

O calor veio junto do torque. Na parada das 100 voltas, o flanco do dente das peças de 0,1 milímetro marcou 41 graus, contra 33 graus nas de 0,2. O PLA começa a amolecer bem antes de derreter, e o dente quente deforma sob carga num ponto em que o dente frio ainda resiste. A engrenagem 5, a que partiu dois dentes, marcou 44 graus na última medição antes da quebra.

Uma folga entre dentes acoplados é necessária para acomodar a película de lubrificante e as variações inevitáveis de fabricação e de montagem do par.

Joseph Shigley e Charles Mischke, Standard Handbook of Machine Design, 1996

O manual de metal vale pra bancada de plástico por um motivo que a lupa mostrou: as quatro travadas não tinham dente quebrado. Elas tinham material demais. A parede lateral do dente, engordada pela pequena expansão do PLA ao esfriar e pela sobra que o bico deixa no contorno, comeu os 0,1 milímetro de sobra e encostou nos dois flancos do vão ao mesmo tempo.

O fragmento recolhido nos três dentes lascados sempre saiu do mesmo lugar: o pé do dente, na junção com o corpo da engrenagem, onde a camada de 0,2 milímetro empilha e a linha entre camadas trabalha como trinco de ruptura. Nenhum lascado saiu da ponta.

As cinco peças de 0,2 que fecharam as 500 voltas terminaram com folga medida de 0,31 milímetro no calibre de lâminas, contra os 0,2 do primeiro dia. O desgaste existe e é de 0,11 milímetro em 500 voltas, um número que interessa a quem vende a peça com garantia.

II Configurações Recomendadas

Folga de 0,2 e raio no pé do dente

A folga de 0,2 milímetro por flanco é o valor que fez a engrenagem de módulo 2 girar lisa até o fim em cinco das seis peças, e ela custa zero: muda só um campo no desenho antes de fatiar. Quem imprime engrenagem de módulo maior sobe o valor junto, porque a folga acompanha o tamanho do dente.

O projeto do dente é o que decide se a peça dura ou vira pó cinza no fundo do mancal. A bancada fechou cinco decisões depois das doze peças.

Cinco ajustes que tiraram a engrenagem do travamento

Primeiro, desenhe 0,2 milímetro de folga por flanco em módulo 2 e mantenha a proporção de um décimo do módulo ao mudar de tamanho. Em módulo 3, isso dá 0,3; em módulo 1,5, dá 0,15.

Segundo, ponha um raio de 0,8 milímetro no pé do dente, na junção com o corpo. Os três lascados do teste saíram todos desse canto vivo, onde a tensão se concentra e a linha de camada trabalha a favor da trinca.

Terceiro, imprima a engrenagem deitada, com o eixo do furo perpendicular à mesa. O dente deitado recebe a carga no plano da camada; o dente impresso em pé recebe a carga tentando separar uma camada da outra, que é o jeito mais fraco de pedir esforço a uma peça em PLA.

Quarto, suba de três para quatro paredes quando o módulo for 2 ou menor. Com camada de 0,2 e bico de 0,4, três paredes deixam o dente pequeno quase todo feito de contorno e preenchimento ralo; a quarta parede fecha o miolo do dente com material contínuo.

Quinto, meça o dente impresso com paquímetro antes de montar o par. A espessura do dente saiu em média 0,07 milímetro mais grossa que o desenho nas doze peças, e quem projeta com folga apertada perde essa sobra inteira antes de a manivela dar a primeira volta.

O furo do eixo pede o mesmo cuidado do dente e quase ninguém dá. Um furo de 8 milímetros no desenho sai com 7,86 na peça em PLA, e o eixo entra a marteladas, o que já introduz esforço no corpo da engrenagem antes de qualquer volta. A bancada passou broca de 8 nas doze peças e anotou o tempo: 40 segundos por unidade.

Configuração fechada do par aprovado: engrenagem de módulo 2 com 20 dentes em PLA cinza a 205 graus com mesa a 60, camada de 0,2, quatro paredes, 30 por cento de preenchimento em grade, folga de 0,2 milímetro por flanco, raio de 0,8 no pé do dente, impressão deitada, furo de eixo repassado com broca de 8 e nenhum lubrificante.

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III Análise de Margem

As 12 peças e os 47 reais de dente lascado

Cada engrenagem consome 22 gramas de PLA cinza e fica 1h10 na máquina. Com o filamento a 89 reais o quilo, o material de uma peça custa 1,96, e as doze do teste saíram por 23,52 de plástico e 14 horas de impressora ligada.

Peças no teste: 12, sendo 6 com folga de 0,1 milímetro e 6 com 0,2

Travaram antes da oitava volta: 4, todas na leva de 0,1

Voltas até o travamento: 3, 5, 5 e 8

Dentes lascados antes das 200 voltas: 3, nas peças 5 e 6 da leva de 0,1

Lascado da peça 5: 2 dentes vizinhos, na volta 200

Chegaram às 500 voltas: 5 peças, todas com folga de 0,2 milímetro

Perda tardia na leva de 0,2: 1 dente na volta 411, com fiapo de filamento no vão

Torque na volta 50: 0,42 newton metro na folga de 0,1 e 0,17 na de 0,2

Temperatura do flanco na volta 100: 41 graus na folga de 0,1 e 33 graus na de 0,2

Folga medida ao fim das 500 voltas: 0,31 milímetro, contra 0,2 no primeiro dia

Desgaste por 500 voltas: 0,11 milímetro de flanco

Espessura de dente a mais que o desenho: 0,07 milímetro em média nas 12 peças

Furo de eixo de 8 milímetros impresso: sai com 7,86, repassado com broca em 40 segundos

PLA por engrenagem: 22 gramas, 1,96 de material

Tempo de máquina por engrenagem: 1h10

Material das 12 peças: 23,52

Horas de impressora no teste: 14

Bancada no teste: 6.000 voltas de manivela, cerca de 5 horas de pessoa

Reposição das 7 peças perdidas: 13,72 de filamento e 8h10 de máquina

As sete engrenagens que travaram ou lascaram custaram 13,72 de filamento. O que dói é o resto da conta: 8h10 de impressora pra refazer as sete, mais as 5 horas de manivela, mais o frete de volta quando a peça que quebra está dentro de um kit vendido. Cada dente lascado em campo custa cerca de 47 reais entre reimpressão, embalagem e postagem.

A peça vendida muda o peso da decisão. Uma engrenagem sozinha sai a 18 reais no site da bancada; dentro de um mecanismo de quatro engrenagens, a peça mais fraca decide a vida do conjunto inteiro. Trocar o campo de folga de 0,1 pra 0,2 no desenho leva 30 segundos e retira o modo de falha que apareceu em 7 das 12 peças.

Fica o limite honesto do teste. Doze peças é amostra pequena, o giro foi manual e sem carga real na saída, e tudo rodou em PLA cinza de um rolo só. O que o teste mostra com firmeza é a direção: folga apertada trava e esquenta, folga de 0,2 gira. O ponto em que a folga passa a ser frouxa demais e o dente começa a bater no vão ficou de fora, porque nenhuma peça acima de 0,2 entrou na leva, e responder pede uma segunda leva com 0,3 e 0,4.

"Qual foi a última peça que você culpou o filamento quando a culpa era do desenho?"

Hoje: pegue o arquivo da engrenagem que você mais imprime, abra o campo de folga de dente e troque o valor pra um décimo do módulo, um campo só, e deixe uma cópia na fila da impressora antes de dormir.