書籍『はじめてのM5StickC』のご紹介!記事掲載して頂きました。

3Dプリンタでシンプルな歯車時計を作ってみた!【STLデータ公開】

自分がイメージしたものを形にできる、3Dプリンタって本当に便利で魅力的な道具ですよね!

昨年末に3Dプリンタを購入して以来、CADの勉強も進めつつ簡単なものから徐々に難易度を上げていきいろいろと作るようになりました。

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実際に3Dプリンタでパーツを作り組んでみるとCADで設計した段階では気付かないパーツ同士のかみ合わせや物理的な事象により改善が必要な箇所などいろいろと出てきて非常に勉強になります。

最近趣味で楽しんでいる電子工作の延長として3Dプリンタを導入したのですが、動くものを作るその機構に関しても学ぶ必要がありと・・・ほんと大変ですが楽しいものです!

そんなことで今回は歯車時計を作った話となります。
歯車と言ってもいろいろと形状があるのですが、最も一般的?な平歯車(Sper Gear)を使い必要最低限の数で作ったシンプルな歯車時計となります。

平歯車(Sper Gear)を使ったシンプルな歯車時計を作ってみる!

制作の経緯

3Dプリンタを導入してから3D CADの勉強も並行して続けいているのですが、Fusion360を使えば比較的簡単に平歯車(Sper Gear)を作ることが出来ます。
Fusion360のアドインを使ったSper Gearの作成方法についてはこちらを参考にして下さい!

【Fusion360】Sper Gear(平歯車)を作ってCAD上で動かしてみる!

上記記事を見ていただければ分かりますが、Fusion360では標準で搭載されているアドインを使えば平歯車自体は比較的簡単に作成することができ、CAD上で歯車同士を噛み合わせてさらにモーションなどを付け動かすことも出来ます。

もともとは上記動画のように歯車を使えるようになると今後の制作物でその機構を使い何か動くものを作る場合に便利だろう・・・というところから入ったのですが、なかなか歯車って面白く2段歯車や伝達比、モジュールなど理解できてくるともう少し複雑なものも作れるだろうと発展していきました。
Fusion360ってほんと便利でモーションを付ければCAD上でそれぞれの歯車の回転数などを確認したりすることが出来ます。

もちろんこの段階では歯車時計を作ろうなんて自分でも思っていなかったのですが、モジュールや歯数などを考えCAD上で作った歯車同士を複数組み合わせて実際に計算通りに動いているか確認してみようと考えると・・・時計という形状が最も歯車の組み合わせで回転数等を確認するのに適しているということで、最低限の数の歯車を使った時計という形になりました。

平歯車を使った歯車時計の製作開始

上述のように時計として機能するように複数の歯車を組み合わせて制作を開始しました。
今回の制作では個人的にFusion360や平歯車(Sper Gear)、そして3Dプリンタの調整に関して非常に勉強になったのでザックリですがその制作過程を思い出しながら見ていきます。

まずは全体の構成を考えます。
最終的に3Dプリンタでパーツを制作し歯車の組み合わせで秒針・分針・時針の回転がそれぞれ適切に回転するか(秒針1周で分針が1/60°回転など)が制作の目的なので必要最低限の歯車の数で制作しています。

結果的にはCAD上で付けたモーション通りに実際に出力させた歯車が回転してその通り機能してくれるか確認出来るものとしては満足な出来に仕上がりましたが、時計としての精度に関してはあまり高いものではありません。

まずは完成した時のおおよその時計のサイズから逆算してモジュール等を選定をします。
片手で持てる手乗りサイズな小型なものを想定していたので、歯車のモジュール値は0.9~1.0あたりでCADの制作に入りました。
おおよそのモジュールから全体のサイズを確認し今回モジュールは1.0で制作しています。

モジュールが決まれば、そこから必要な歯車の数とそれぞれの歯車の歯数を計算していきます。
今回の制作ではステッピングモーターをArduino Nanoで動かし秒針を1分間に1回転(1rpm)させ分針・時針がそれぞれ回転するように歯車の伝達比を計算していきました。(このあたりかなり説明が長くなるので割愛します)
紙面上で計算した結果、このような歯車の構成で制作していくことに。(汚いメモ紙でスイマセン!)

ステッピングモーターに付いた歯数8枚(8T)のピニオンギヤから始まり→60T/9Tの2段ギヤ72T/10Tの2段ギヤで分針を回し、30T/8Tの2段ギヤを介して32Tギヤで時針を回す構成となっています。

モジュール選定および歯車の歯数&配置等が出来ればこれをCADで作っていきます。
時計らしく分針と時針を同一中心点に置き、折角なので少しカッコよく?見せるために一番大きな72Tギヤが手前に来るように配置してモデリングしていきました。

外枠も作りこの歯車のサイズ&配置では想定通り手乗りサイズに収めることが出来ました。

3Dプリンタ側の精度の問題!?

モデリングが完了したら3Dプリンタで実際に各パーツを出力させるわけですが・・・ここで大きな問題がありました。

時計として分針と時針を同一円の中心に配置する構造上、少し複雑な構造となっている部分がありますが・・・

歯車を固定する支柱部分を2段階にする必要があるのですがこの部分のパーツに非常に手間取りました。
もちろんCAD上では上記写真のように干渉等なく問題ないのですが、3Dプリンタ側の精度?(調整)でCAD通りの寸法が取れず・・・

歯車に円筒を付け次の歯車の支柱になるように設計しているのですが、この歯車の中心穴と同サイズの円筒を伸ばすとどうしても出力させたパーツでは次の歯車をハメることが出来ず・・・

0.4mmノズルを使って出力させていますが、0.4mmでは最小で描ける円は理論的には0.8mmになるのかな?
このあたり3Dプリンタ側の知識が足りず、全体的にサイズを少し調整し作り変えモデリングし直す羽目になりました。

CAD上では問題ないのですが、3Dプリンタ側の知識不足?のためその通り再現できない・・・今回の制作で一番歯がゆかった部分ではあります。

実際に動かしてみる

何度もCAD上でサイズ調整をしてようやくですが実際に動かすことが出来ました

今回ステッピングモーター(28BYJ-48)とモータードライバ(ULN2003)を使いArduino Nanoで動かす構成にしています。
各パーツ綺麗に収まるように設計はしていますが・・・いかがなものでしょうか?

時計としての精度はあまり高くありませんが、CAD上でのモーション通り、そして紙面上で計算した通りに動いていることも確認できたので個人的には今回の制作目的は大きく達成できました!

今回制作したこの歯車時計ですが、Thingiverseにデータを公開しています。
興味ある方は作ってみて下さい!
平歯車(Sper Gear)の学習用としてはいいかもしれません。

参考 Simple Super Gear ClockThingiverse

またデータを公開したところ、嬉しいことに改良版?を作ってくれた方がいます。
全体的な構成は同じですがハード部分を少し変更して作ってくれたようです。

またパーツ(歯車)を3Dプリンタで出力する際の注記点も追記してくれています。
この注記点に関しては私の環境では特に問題にならず・・・サポートが入らない形状でパーツを作っているのですが、他の方の環境では出来なかった?ようで・・・このあたり3Dプリンタの私の知識不足かななんて思っています。
こちらも参考にしてみて下さい。

参考 Gear Clockhackster.io

最後に!

CAD上での設計だけに留めず実際に3Dプリンタを使いパーツを作り制作してみると、CAD上での理想値と実際との差や3Dプリンタ側の知識などいろいろと気付かされ勉強になり、そして楽しいものでした!

シンプルで簡単な歯車時計となりますがその計算や制作過程で得られる知識は非常に多く・・・さらに複雑な構造となっているギヤボックスの制作なんかにも役立ちました!
歯車って奥が深く、そして魅力的ですね!

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