編譯：江宗諭
我（編按：在此指作者Outware）設計並自造了一款 3D 列印的玩具車，展示了行星齒輪的運作原理。本教學文將介紹設計、 3D列印和組裝這款玩具車的完整過程。
所需材料：
- 一台3D列印機：用來列印車身和車輪。
- PLA線材或其它您喜歡的材料
- 強力膠：用來將所有零件黏合在一起。
- 鋰基潤滑脂、 PTFE 潤滑劑或矽膠/電介質潤滑脂：用來減少齒輪摩擦（任何對PLA ，或對您選擇的材料安全的潤滑劑皆可）。
- Plasti Dip：一種合成橡膠塗層，用來增加車輪的抓地力（可選擇性使用）。
- 紙膠帶（可選擇性使用）
- 註冊 Onshape 帳號，或使用任何 CAD 設計軟體。
步驟 1：Onshape 中的齒輪基礎
在本專案中，我使用了Onshape，一款免費的瀏覽器端CAD設計工具。
首先，建立新文件→前往工具列→點擊右側的「新增自訂功能」按鈕→選擇FeatureScript Samples →Spur Gear – Custom Feature。
使用Onshape的直齒輪功能，能讓這個專案的設計變得相對簡單。但需注意幾個重點：
- 模數（Module）必須保持一致，這樣所有齒輪才能正確嚙合。若模數不同，齒輪將無法正常運作。
- 勾選「 Helical 」和「 Double Helix 」選項，這樣齒輪就能自行保持定位，而不需額外支撐架。
- 調整「 Profile Offsets 」中的「 Backlash 」參數，可設定 3D 列印零件的公差，以確保更好配合度。
- 計算環形齒輪（R）、太陽齒輪（S）及行星齒輪（P）的齒數。計算方式為： R = 2P + S ，或者可使用線上工具來視覺化並調整參數。
在這項設計中，我使用了 2.5毫米（mm）模數的齒輪，模數決定了齒輪的大小，數值越高，齒輪越大，反之亦然。而我的齒輪設計包含：
- 五個 9 齒的行星齒輪
- 一個 18 齒的太陽齒輪
- 一個 36 齒的環形齒輪
步驟二：創建環形齒輪
1.生成齒輪
我們將使用上個步驟中新增的直齒輪工具來生成齒輪。在我的設計中，齒輪參數如下：
- 齒數：36
- 深度：45毫米
- 模數：5毫米
- 間隙（Backlash）：5毫米
- 螺旋齒輪（Helical）
- 旋轉方向：順時針
- 螺旋角度： 15 度
- 雙螺旋齒輪（Double Helix）
較大的模數和深度會使齒輪變大，進而影響整體車體尺寸。
調整齒輪參數至合適數值後，請點擊綠色勾選按鈕，好儲存並退出直齒輪生成器。不過目前的齒輪是外齒，而非內齒，這樣並不適合作為環形齒輪，因此，我們需進一步修改。
2.建立圓柱體（範例一）
現在，我們已經有一個齒輪，接下來需要建立一個圓柱體，並利用它來扣除齒輪形狀，以生成環形齒輪。
- 使用右上角的視角方塊，選擇「前視平面（Front Plane）」，這樣便可從正面檢視齒輪，使操作更加直覺。
- 在工具列左側，點擊草圖工具（Sketch），然後選擇「前視平面」，建立一個新的草圖。
- 選擇中心點圓工具（快捷鍵 C），從齒輪的中心點拖曳出一個圓形，尺寸可先大約設定，不需太精確。
- 使用尺寸標註工具（快捷鍵 D），雙擊剛建立的圓形半徑，並精確調整大小，使其符合需求。
- 調整完尺寸後，點擊綠色勾選按鈕，好儲存並退出草圖。這個圓柱體將作為車輪或輪胎，因此大小需考慮實際用途。
3.拉伸圓柱體（範例二）
- 離開草圖模式後，點擊圓形的內部區域，選擇拉伸工具（快捷鍵 Shift+E）。
- 確保拉伸設定為「新實體（New Solid）」，而非「曲面（Surface）」。
- 調整拉伸深度，使其與齒輪的深度相匹配。
- 點擊綠色勾選按鈕，完成拉伸。
4.使用布林運算生成環形齒輪（範例三）
現在，我們已有圓柱體和齒輪，可以利用「布林運算（Boolean）」工具來扣除齒輪形狀，生成環形齒輪。
- 布林工具可能不會直接顯示在工具列，可使用搜尋功能來找到它。
- 進入布林工具後，選擇「減法（Subtract）」模式。
- 設定工具（Tool）為齒輪，目標（Target）為圓柱體，這樣可從圓柱體中移除齒輪的形狀。
- 點擊綠色勾選按鈕，完成布林運算。
至此，環形齒輪已完成！
建議將這個齒輪重新命名，並暫時隱藏，以便後續設計其他零件。
步驟三：創建行星齒輪和太陽齒輪
在這個步驟中，我會再使用幾次直齒輪工具。請您務必注意，所有齒輪的模數和深度必須相同。讓我們先從最簡單的行星齒輪開始。
1.建立行星齒輪
- 就像前面的步驟一樣，我們將再次使用直齒輪工具來生成齒輪。
- 所有參數都保持不變，唯一需調整的是齒數。
- 行星齒輪是最小的齒輪，在環形齒輪內圍繞著太陽齒輪旋轉。
在我的設計中，行星齒輪有 9 顆齒。而我一共使用了 5 個行星齒輪，但您可選擇 3、4 或 5 個。
2.建立太陽齒輪
同樣地，使用直齒輪工具來生成太陽齒輪。需要更改的參數如下：
- 齒數
- 螺旋方向改為逆時針（Counterclockwise）
太陽齒輪是中等大小的齒輪，位於中心，周圍有行星齒輪繞著它運行。而在我的設計中，太陽齒輪共有 18 顆齒。當太陽齒輪生成完成後，我們還需要在中心開一個方形孔，以便固定車輪到車身上。
3.建立方形孔
這裡以 20 毫米的方形為例，但您可根據齒輪大小自行調整。
- 在工具列左側，點擊草圖工具，並選擇齒輪的平坦面建立新的草圖。
- 選擇中心點矩形工具（快捷鍵 R），從齒輪中心點開始拖曳出一個矩形。
- 使用尺寸標註工具（快捷鍵 D），點擊矩形的邊並調整其大小至所需尺寸。
- 點擊綠色勾選按鈕，好儲存並退出草圖工具。
- 點擊方形內部，使整個方形變成橘色高亮狀態（確保是整個方形，而不是單邊）。
- 使用拉伸工具（快捷鍵 Shift+E），將方形部分移除（請確認模式為「移除」，而非「新增」）。
- 調整拉伸深度確保方孔穿透齒輪，我選擇 25毫米深度。
- 點擊綠色勾選按鈕完成挖孔。
4.完成齒輪組
至此，環形齒輪、太陽齒輪及行星齒輪都已完成！
步驟四：發揮創意設計車體
設計車身是展現創意的最佳時機！請確保輪子與車身間有足夠間距，避免輪子彼此摩擦，或與車身接觸。在這個範例中，輪子的半徑為 110 毫米，因此我們在前視平面上繪製一個半徑為 125 毫米的圓。
在前面的步驟中，我們已經在齒輪上挖了一個 20×20×25毫米的方形孔。為預留一點活動空間，我們將再建立一個 19.5 毫米的方形。接著，請再建立一個 125 毫米的圓，並將其放置在適當的位置。
在我的範例中，兩個圓心間的距離為 145 毫米，您可根據自己的設計調整此數值。若您的設計尺寸不同，請使用以下公式計算圓心距離：
圓心距離 = 圓的半徑 + 兩個圓之間的間距。
大膽發揮創意，使你的車身設計獨一無二！
使車體成為實體
現在，我們有了車身的草圖，接下來我們使用「拉伸工具（Shift+E）來建立車體。請選取所有要拉伸的面（範例中會有示意）。由於我們的車輪寬度為 45 毫米，我們將車體對稱拉伸 100 毫米。若希望車身更窄或更寬，請根據需要調整此數值。
建立輪拱
現在我們已建立車體，接下來需要為輪胎預留空間。請隱藏車身，然後用「拉伸工具（ Shift+E ）」移除材料，創造輪拱空間，並根據輪胎尺寸及設計需求調整偏移量。在本範例中，車體寬度為 100 毫米，每個車輪寬度為 45 毫米，因此我選擇 5 毫米的偏移量確保良好配合。請於兩側重複此步驟。
調整方形插槽
在前面的步驟中，我們在齒輪上挖了一個 20×20×25 毫米的孔，因此我們需要相應調整車軸的插槽。請選取方形插槽，並使用拉伸工具移除 15 毫米，讓插槽變成 30 毫米深。
調整與細節修飾
現在您可添加倒角、圓角或其它細節，好讓車體與輪子更具美感和流暢度。
至此，您應已完成車身、齒輪及輪胎的設計！
步驟五：切片和列印
3D 列印準備
我使用的 3D 列印機是 Bambu Lab A1，切片軟體則是 Bambu Studio 。
1.首先，從 Onshape 匯出零件：
- 滑鼠右鍵點擊零件，選擇「匯出（Export）」。
- 選擇 STL 格式
- 將零件匯入 Bambu Studio 或其它切片軟體
- 打開 Bambu Studio
- 將 STL 檔案由檔案總管拖曳至工作區。
- 切割零件
由於我們需讓太陽齒輪（Sun Gear）與行星齒輪（Planet Gears），能裝入環形齒輪（Ring Gear）內部，因此必須將環形齒輪對半切割。幸運的是，Bambu Studio 提供了「切割（Cut）」功能，位於上方工具列，可將零件分成兩半並添加連接器（Connectors）。
請選擇環形齒輪，打開「切割（Cut）」工具。Bambu Studio 可能無法直接切成完全對稱的兩半，這時可調整「移動參數（Movement Parameter）」至 0.10 來微調。接著，請添加兩個不同形狀的連接器，確保組裝時能正確對齊。（如圖配一所示）
接下來，請匯入車身（Car Body）。若車身無法完全放入列印平台，我們也需將它切割成兩半，所以請使用相同的「切割（Cut）」工具。在此，可選擇是否添加連接器，雖然車身不一定需要，但有連接器可讓兩半更好對齊。太陽齒輪與行星齒輪則不需要切割。
切片與列印零件
切片與列印設定相當廣泛，這裡不會詳細說明，但可參考 Bambu Studio 官方 Wiki網頁。
以下是一些列印建議：
- 若齒輪較小，請開啟 Brim（邊緣支撐）提高附著力。
- 推薦使用「 Adaptive Cubic 」或「 Gyroid 」內填結構。
- 某些車身部位可能需要支撐，但齒輪部分不應使用支撐。
完成以上這些步驟後，您便可開始列印零件了！
步驟六：組裝車身
1.組裝車身
現在，我們可開始組裝車身的兩個部分！但若您的車身沒有切割成兩半，則可跳過此步驟。此外，若您在列印時使用了支撐材（ Supports ），車身可能需要額外的後處理，例如打磨（ Sanding ），以獲得更平滑的表面。順帶一提，我的車身是藍白相間的，因列印過程中藍色耗材用完了。
2.組裝步驟
- 在兩個車身半部間塗上瞬間膠（ Super Glue ）
- 對齊兩個部分並用力壓緊，直到膠水固定。
小知識：瞬間膠（氰基丙烯酸酯， Cyanoacrylate ）會吸收空氣中的水分進行聚合與硬化。
所以，您可在其中一半的表面上輕輕噴些水霧，再在另一半塗上瞬間膠，這樣可加快乾燥速度。
步驟七：組裝車輪
1.組裝行星齒輪組
- 放置下半部分的齒圈（Ring Gear）
- 放入太陽齒輪（Sun Gear） 及第一顆行星齒輪（Planet Gear）。
- 逐一安裝剩下的行星齒輪。
- 最後一顆行星齒輪可能會比較緊，您大概需要稍微施力或調整角度，讓它正確就位。
- 安裝上半部分的齒圈，並對齊我們在切片軟體中設計的連接器。
- 使用瞬間膠（Super Glue）固定兩半齒圈，確保它們牢固貼合。
2.提升齒輪抓地力（選擇性步驟）
您可選擇噴塗 Plasti Dip ，讓齒輪在光滑表面上有更好的抓地力。
- 用紙膠帶（Masking Tape）覆蓋齒輪上下表面，避免噴塗到不必要區域。
- 移動到通風良好區域，進行噴塗。
- 每層噴塗後等待約 30 分鐘乾燥，再進行下一層。
- 潤滑齒輪
- 等所有零件完全乾燥後，建議使用潤滑劑來減少齒輪間的摩擦。
補充：適用於 PLA 的潤滑劑：
- 鋰基潤滑脂（Lithium Grease）
- PTFE潤滑脂（聚四氟乙烯，俗稱鐵氟龍潤滑脂）
- 矽基/電介質潤滑脂（Silicone/Dielectric Grease）
若您的零件非使用 PLA 列印，請先查詢您所選材料適用的潤滑劑與膠水，以確保相容性。
步驟八：完成最後組裝
我們將使用瞬間膠（Super Glue），或其它您喜歡的固定方式組裝車輛。您可選擇將膠水塗在方榫（Peg ）上，或塗在太陽齒輪（Sun Gear）內部孔洞，確保兩者牢固連接。建議您可為車子上色，或者嘗試更具創意、與眾不同的設計。
最終，這項專案的目的，是讓您發揮創意，設計出比我更酷、更有趣的車款！
（本篇文章是原文作者Outware 在 AUTODESK INSTRUCTABLES 網站上的投稿。特別感謝原文作者開放授權，使我們得以進行翻譯，特此致謝！若讀者有興趣閱讀原文，請點擊：閱讀原文，謝謝！）
註：主圖和配圖都翻攝自AUTODESK INSTRUCTABLE 網站，特此致謝。
（本篇文章經同意轉載自vMaker，原文連結；責任編輯：謝嘉洵。）
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