Der ideale 3D-gedruckte Antrieb für Ihr nächstes Robotik-Projekt

In diesem Vergleich untersuchen wir, was besser ist: ein 3D-gedruckter Zykloidengetriebe, ein Planetengetriebe oder ein Riemenantrieb. Wir vergleichen sie in mehreren Kategorien, messen ihren Wirkungsgrad und Drehmomentausgang, ihre Genauigkeit und Rückschlag sowie ihre Haltbarkeit. Außerdem betrachten wir Kosten, Größe, Gewicht und Fertigungsfreundlichkeit.

Sie können das folgende Video ansehen oder das schriftliche Tutorial unten lesen.

Übersicht

Warum dieser Vergleich? Das Hauptziel ist zu verstehen, welcher Antrieb oder welche Untersetzung für einen Roboter-Gelenk die beste Wahl wäre. In nächster Zeit werde ich Roboterarme entwerfen und bauen, sodass Sie mit diesen Vergleichsergebnissen entscheiden können, welcher Antrieb für Ihr Roboterarm-Design am besten geeignet ist.

Auf meinem Kanal gibt es bereits detaillierte Videos, die erklären, was Zykloidengetriebe und Planetengetriebe sind, wie sie funktionieren und wie man sie entwirft. Ich empfehle, diese Videos für weitere Details anzusehen.

In diesem Vergleichsartikel betrachten wir nur die wichtigsten Eingabeparameter, die das Design der Antriebe definieren.

Design

Zykloidengetriebe

Beginnen wir mit dem Zykloidengetriebe. Die wichtigsten Eingabeparameter beim Design sind die gewünschte Untersetzungsratio und die Art bzw. Größe der verwendeten Rollen.

Für diesen Bau habe ich als Rollen Buchsen mit 6 mm Innen- und 10 mm Außendurchmesser gewählt.

Diese Buchsen sind deutlich glatter als die zuvor verwendeten 8 mm-Buchsen, sodass ich testen wollte, ob sich die Leistung des Zykloidengetriebes damit verbessern lässt. Allerdings haben diese 10 mm-Buchsen ihren Preis: Die Rollengröße definiert direkt die Größe der Zykloidenscheiben und des gesamten Getriebes.

Nun zeige ich, wie einfach sich das Zykloidengetriebe mit Onshape konstruieren lässt – dem Sponsor dieses Videos. Onshape ist ein professionelles CAD- und PDM-System, das Ingenieuren und ihren Unternehmen derzeit bis zu 6 Monate kostenlosen Zugang zur Professional-Version bietet.

Mit der benutzerdefinierten FeatureScript-Bibliothek „Cycloidal Drive“ in Onshape lässt sich die Zykloidenscheibe mühelos generieren.

Man gibt einfach die Parameter ein: Zahnzahl der Scheibe, Exzentrizität sowie die Durchmesser der Rollen (sowohl der äußeren Ringzahnrad-Rollen als auch der inneren Ausgangswellen-Rollen). Während der Eingabe aktualisiert sich das 3D-Modell sowie weitere Parameter, die man im Auge behalten und bei Bedarf korrigieren sollte. Der Kreisdurchmesser ist die Gesamtgröße der Scheibe – das Ziel ist, ihn bei gegebenen Eingabeparametern (Rollenzahl und -abmessungen) so klein wie möglich zu halten.

Die Zykloidenscheibe ist das wichtigste Bauteil des Getriebes; alle anderen Teile werden darum herum konstruiert.

Natürlich beeinflussen viele weitere Parameter das Gesamtdesign: Motortyp, Antrieb der Eingangswelle, verfügbare Lager, Anwendungszweck des Getriebes usw.

Planetengetriebe

Betrachten wir nun das Planetengetriebe. Es handelt sich um das gleiche Design aus meinem vorherigen Video, in dem ich detailliert erkläre, wie man ein Planetengetriebe entwirft. Es ist ein zweistufiges Planetengetriebe mit je 4:1 Untersetzung pro Stufe, also insgesamt 16:1.

Für bessere Leistung verwende ich hier Kugellager statt Buchsen für die Planetenräder. Jedes Planetenrad nimmt zwei Kugellager auf, sodass sich das Rad einfach fixieren lässt und die durch die Schrägverzahnung entstehenden Axialkräfte aufgenommen werden.

Riemenantrieb

Als Nächstes der Riemenantrieb. Auch hier streben wir die gleiche 16:1-Untersetzung an, die sich leicht in zwei Stufen à 4:1 realisieren lässt.

Ich wählte einen GT2-Riemen, da er am weitesten verbreitet und verfügbar ist und in puncto Rückschlag hervorragende Eigenschaften bietet. Fast alle 3D-Drucker nutzen diesen Riemenantrieb. Ich besorgte zwei geschlossene GT2-Riemen à 226 mm Länge und 10 mm Breite.

Für diese Riemen benötigen wir passende GT2-Riemenscheiben. Auch hier lässt sich mit einer benutzerdefinierten FeatureScript-Bibliothek in Onshape die GT2-Riemenscheibe einfach generieren.

Man wählt lediglich den GT2-Riemen-Typ (3M oder 2M, also 3 mm oder 2 mm Teilung) und gibt die Zahnzahl der Scheibe ein.

Ich legte die Eingangsscheiben auf 20 Zähne und die Ausgangsscheiben auf 80 Zähne fest. Die erste Ausgangsscheibe mit 80 Zähnen dient gleichzeitig als Eingangsscheibe mit 20 Zähnen für die zweite Stufe und sitzt auf zwei Kugellagern.

Die Welle dafür ist eine 6 mm 3D-gedruckte Hohlwelle, die mit einer M4-Schraube verstärkt wird. Die zweite Ausgangsscheibe wird durch zwei Kugellager gestützt – eines an der Motor-Eingangswelle, das andere am Gehäuse.

3D-Modelle

3D-Modelle anzeigen und erkunden:

• Zykloidengetriebe: https://bit.ly/3RsTa6g
• Riemenantrieb: https://bit.ly/3DZGIb7
• Planetengetriebe: https://bit.ly/3XGtTsZ

Dieser Abschnitt befindet sich noch im Aufbau. Die STL-Dateien werden in Kürze verfügbar sein.

3D-Druck

Für den Druck aller Teile nutzte ich den Creality K2 Plus. Beim 3D-Druck ist die Funktion „Horizontale Expansion“ (im neuen Creality Print Slicer „X-Y-Konturkompensation“ und „X-Y-Lochkompensation“) essenziell.

Lässt man diese Einstellungen auf Standardwerten, stimmen die Druckmaße meist nicht exakt mit dem CAD-Modell überein – bedingt durch die Filamentausdehnung beim Druck. Löcher werden meist kleiner, Konturen größer.

Die richtigen Werte für diese Einstellungen sind entscheidend, da sie direkt die Präzision und Leistung der Antriebe beeinflussen. Ich verwendete für jedes Teil unterschiedliche Werte, abhängig vom Verwendungszweck.

Beispiel: Beim Druck der Zykloidenscheiben nutzte ich 0,12 mm für die X-Y-Lochkompensation und –0,15 mm für die Kontur. So erhielten die Löcher für die Ausgangsrollen die korrekte Dimension, und der Scheibenkontur wurde kleiner, um in die Ringzahnrad-Rollen zu passen.

Hier die Liste aller verwendeten Werte für horizontale Expansion / X-Y-Kompensation:

Bauteil	Konturkompensation	Lochkompensation
Zykloidengetriebe
Zykloidenscheibe	-0,15 mm -0,20 mm für lockerere Passung	0,10 mm 0,15 mm für lockerere Passung
Exzentrisches Lager	0,07 mm	0,03 mm
Wellenkupplung	0,07 mm	0 mm
Planetengetriebe
Ringzahnrad / Gehäuse	0 mm -0,10 mm für lockerere Passung	0,05 mm
Planetenräder	0 mm -0,05 mm für lockerere Passung	0,05 mm
Träger / Ausgang	0,07 mm – für besseren Sitz mit Ausgangslager	0,05 mm
Riemenantrieb
GT2-Riemenscheiben	-0,05 mm	0,05 mm

Sie können diese Werte als Ausgangspunkt nutzen, müssen sie aber ggf. an Ihren Drucker anpassen. Die optimalen Werte finden Sie nur durch Testdrucke mit verschiedenen Einstellungen. In den Vergleichstests sehen Sie später, wie sich diese Anpassungen auf die Leistung der Antriebe auswirken.

Ein Dankeschön an Creality für die Bereitstellung dieses hervorragenden Druckers. Der Creality K2 Plus ist einer der besten 3D-Drucker, die ich je genutzt habe. Sehen Sie sich mein detailliertes Review an. Erhältlich bei: Creality USA Store ; Creality EU Store ; Amazon.

Montage der Antriebe

Hier sind alle 3D-gedruckten Teile und sonstigen Komponenten für die drei Untersetzungen.

Auffällig: Der Riemenantrieb hat die wenigsten Teile, beim Zykloidengetriebe werden deutlich mehr Komponenten (Stifte, Buchsen) benötigt. Das Planetengetriebe liegt dazwischen.

Stückliste (BOM)

Vollständige Liste aller benötigten Komponenten – Buchsen, Riemen, Lager, Schrauben, Muttern:

Komponente	Menge	Bezugsquellen
Zykloidengetriebe
Stifte D-6 mm, L-30 mm	16	Amazon | AliExpress
Stifte D-6 mm, L-24/25 mm	6	Amazon | AliExpress
Buchsen ID6 mm OD10 mm L16 mm oder 2×L8 mm	22	Amazon | AliExpress
Kugellager 35×47×7 6807	1	Amazon | AliExpress
Kugellager 17×26×5 mm 6803	3	Amazon | AliExpress
Kugellager 12×21×5 mm 6801	1	Amazon | AliExpress
M3×10 mm Senkkopf / M3×10 mm	4 / 6	Amazon | AliExpress
Planetengetriebe
Stifte D-6 mm, L-226	1	Amazon | AliExpress
Kugellager 35×47×7 6807	1	Amazon | AliExpress
Kugellager 15×24×5 6802	2	Amazon | AliExpress
Kugellager 6×13×5 mm 6861	2	Amazon | AliExpress
M3×10 mm / M3×10 mm Senkkopf	6 / 4	Amazon | AliExpress
Riemenantrieb
GT2-Riemen 226 mm	2	Amazon | AliExpress
Kugellager 35×47×7 6807	1	Amazon | AliExpress
Kugellager 15×24×5 6802	1	Amazon | AliExpress
Kugellager 6×13×5 mm 6862	2	Amazon | AliExpress
M3×10 / M3×8 / M3×16 Senk / M3×25 Senk	4 / 4 / 2 / 2	Amazon | AliExpress
Sonstiges
M3 Gewindestifte	–	Amazon | AliExpress
M3 / M4 Muttern	–	Amazon | AliExpress

Nun ein kurzer Überblick über den Montageprozess.

Riemenantrieb-Montage

Zuerst wird die finale Ausgangsscheibe durch das Kugellager im Gehäuse eingesetzt.

Dann das Kugellager in die Ausgangsscheibe einbauen, wo die erste Eingangsscheibe sitzen wird. Diese Eingangsscheibe wird zuerst am Schrittmotor befestigt – dafür sind zwei Nuten für M3-Muttern vorgesehen, mit M3-Gewindestiften wird die Scheibe fest geklemmt.

Die Scheibe sollte 2 mm über dem Motor sitzen.

Vor dem Einsetzen des Motors werden die beiden Riemen eingelegt.

Dann den Motor mit M3-Schrauben am Gehäuse befestigen. Da der Antrieb so kompakt wie möglich sein sollte, war das Anziehen der Schrauben nur mit schmalen Zangen möglich – nicht sehr komfortabel, aber für maximale Steifigkeit nötig.

Nun die Zwischenscheibe einsetzen und beide Riemen darum wickeln. Diese Scheibe nimmt zwei Kugellager mit einem kleinen Distanzring dazwischen auf.

Dann die Welle für die Scheibe einsetzen: eine 3D-gedruckte 6 mm-Hohlwelle, verstärkt mit einer M4-Schraube. Man könnte auch eine M6-Schraube nutzen, aber deren Außendurchmesser beträgt ca. 5,8 mm – mit der gedruckten Welle lässt sich exakt 6 mm bzw. 5,95 mm realisieren für perfekten Sitz in den Lagern.

Unten einen Distanzring einlegen, auf den das Kugellager sitzt.

Riemen spannen, Welle vollständig durch die Lager in die andere Gehäuseseite schieben, M4-Schraube durchstecken und mit M4-Mutter sichern. Fertig – der Riemenantrieb funktioniert.

Die Riemen sind straff, aber für bessere Kontrolle und Leistung sollten Spannvorrichtungen ergänzt werden. Ich baute Spannvorrichtungen mit einem Kugellager (13 mm Außendurchmesser), das an einem kleinen Winkel mit M3-Schrauben und -Muttern befestigt ist.

Den Winkel gegen den Riemen drücken, um ihn zu spannen, dann die Schraube anziehen. Ein simpler, aber wirksamer Mechanismus.

Zum Schluss den Deckel mit M3-Schrauben und -Muttern sichern und Gewindeeinsätze in die Ausgangswelle einbringen für Anbauteile.

Der Riemenantrieb ist fertig – beim manuellen Drehen der Ausgangswelle wirkt es, als gäbe es keinerlei Rückschlag.

Zykloidengetriebe-Montage

Wie erwähnt, habe ich bereits detaillierte Videos zum Bau von Zykloiden- und Planetengetrieben – hier nur das Wesentliche.

Beim Zusammenbau des Zykloidengetriebes trat ein Problem auf: Die zweite Scheibe ließ sich nicht einsetzen, obwohl ich alle Regeln befolgte (180° versetzt, alle Maße doppelt geprüft).

Die Ursache war die Untersetzungsratio: Ein Zykloidengetriebe muss eine ungerade Zahl als Ratio haben, um mit zwei Scheiben korrekt zu funktionieren. In meinen vorherigen Videos hatten die Designs zufällig ungerade Ratios, sodass ich diese Regel übersehen hatte.

Frühere Designs finden Sie in diesen Artikeln:

• Was ist ein Zykloidengetriebe? Design, 3D-Druck und Test
• CNC-gefräst vs. 3D-gedrucktes Zykloidengetriebe – Design & Test
• Harmonic vs. Zykloidengetriebe – Drehmoment, Rückschlag und Verschleißtest

Eine ungerade Ratio bedeutete: Zähnezahl auf 15, Ringzahnrad-Rollen auf 16 ändern – Gehäuse und Scheiben neu drucken.

Nun ließen sich die beiden Zykloidenscheiben korrekt einbauen und die Montage abschließen.

Rückschlag-Test

Alle drei Antriebe sind bereit – jetzt die Vergleichstests.

Beginnen wir mit Genauigkeit bzw. Rückschlag.

Planetengetriebe

Das Planetengetriebe zeigt gute Wiederholgenauigkeit: Der Arm kehrt auf 1/100 mm bei 20 cm Abstand zurück.

Unter Krafteinwirkung wird der Rückschlag spürbar: Der Arm spielt einige mm auf und ab. Per Hand gefühlt gibt es freien Spielraum am Ausgang ohne Widerstand.

Um den Rückschlag in der üblichen Einheit Bogenminuten auszudrücken: Man misst die Auslenkung in beide Richtungen unter Last von ca. 1–2 % des Nenn-Drehmoments.

Im Drehmoment-Test erreichte das Getriebe max. 32 N bei 10 cm – für den Rückschlag-Test also ca. 0,5 N Last, ich nutzte 2 N bei 20 cm. Ergebnis: ca. 2,9 mm Auslenkung in eine, 0,75 mm in die andere Richtung.

Winkelberechnung (einfache Trigonometrie) ergibt ca. 1° – also ca. 60 Bogenminuten Rückschlag.

Hinweis: Ob die Messmethode 100 % korrekt ist, sei dahingestellt – wir wenden dieselbe Methode für alle Antriebe an, um vergleichbare Ergebnisse zu erhalten.

Je nach Passung der Verzahnung (enger/lockerer) liefert das Getriebe unterschiedliche Ergebnisse. Erster Test: Ringzahnrad mit –0,15 mm, Planetenräder mit –0,05 mm horizontaler Expansion.

Ringzahnrad nun mit 0 mm Expansion (engerere Passung): Rückschlag ca. 50 Bogenminuten – ca. 15 % besser, auch per Hand spürbar.

Planetenräder ebenfalls mit 0 mm Expansion: ca. 30 Bogenminuten.

Vom initialen 60 auf 30 Bogenminuten verbessert.

Hinweis: Beim Design in Onshape fügte ich über das FeatureScript einen Rückschlag/Offset von 0,1 mm hinzu. Deshalb lassen sich alle Teile mit 0 mm Expansion drucken und trotzdem montieren. Man könnte den Offset weiter reduzieren, aber dann besteht Gefahr, dass sich die Räder nicht mehr montieren lassen oder klemmen – das zeigt sich im Wirkungsgrad-/Drehmoment-Test.

Zykloidengetriebe

Wiederholgenauigkeit schlechter: Der Arm kehrt an verschiedenen Punkten innerhalb von 1/10 mm zurück.

Rückschlag berechnet: ca. 60 Bogenminuten – gleich dem schlechtesten Planetengetriebe-Fall. Aber per Hand kein freies Spiel, sondern sofort Widerstand.

Getestet mit –0,15 mm Expansion der Scheiben – sehr straffe Montage. Test mit –0,2 mm Expansion und +0,2 mm Loch-Expansion (Präzision der 6 Ausgangslöcher beeinflusst Leistung): deutlich schlechter, ca. 150 Bogenminuten, freies Spiel per Hand spürbar.

Riemenantrieb

Wiederholgenauigkeit sehr gut: innerhalb 1/100 mm bei 20 cm. Leichtes Überschwingen sichtbar: Arm geht bis 0,04 mm, kehrt auf 0,03 mm zurück.

Rückschlag: ca. 45 Bogenminuten – gutes Ergebnis im Vergleich.

Durch Nachspannen der Riemen ließ sich der Rückschlag auf ca. 25 Bogenminuten reduzieren.

Der Riemenantrieb erzielte die besten Rückschlag-Werte aller drei Antriebe.

Drehmoment / Wirkungsgrad-Test

Zykloidengetriebe

Bei 10 cm Hebel: ca. 16 N → ca. 160 Ncm Drehmoment.

Schrittmotor ohne Getriebe: ca. 18 Ncm → Drehmomentsteigerung ca. 9-fach.

Wirkungsgrad nur ca. 60 % (ideal bei 15:1 Ratio wäre 15-fach). Ursache: hohe Reibung / straffer Sitz der Scheiben.

Mit lockereren Scheiben (–0,2 mm Expansion): ca. 18 N → 180 Ncm, ca. 10 % besserer Wirkungsgrad (ca. 66 %), aber Rückschlag enorm (150 Bogenminuten) – für Präzisionsarbeit unbrauchbar.

Planetengetriebe

Bei 10 cm: ca. 36 N → ca. 350 Ncm.

Schrittmotor ohne Getriebe hier ca. 23 Ncm → Steigerung ca. 15-fach. Ratio 16:1 → Wirkungsgrad ca. 90–95 %. Getestet mit lockerer Passung (leichtes Spiel per Hand).

Engere Passungen:

• Ringzahnrad 0 mm Expansion: ca. 310 Ncm → ca. 84 % Wirkungsgrad.
• Alle Planetenräder 0 mm Expansion: ca. 290 Ncm → ca. 78 % Wirkungsgrad. Immer noch sehr gut für 3D-Druck.

Riemenantrieb

Erster Test (lockere Riemen): ca. 260 Ncm → ca. 70 % Wirkungsgrad (Motor ca. 23 Ncm). Problem: Riemen sprang auf der zweiten, kleineren Eingangsscheibe über, nicht am Motor.

Besser gespannte Riemen: ca. 360 Ncm → ca. 95–97 % Wirkungsgrad.

Der Riemenantrieb ist der effizienteste Antrieb und gleichzeitig bester in puncto Rückschlag.

Bevor wir ein Fazit ziehen, weitere Vergleiche.

Haltbarkeits-Test

Längere Laufzeit unter Last mit plötzlicher Richtungsänderung für mehr Stress.

Als Last dienten DC-Motoren.

Nach ca. 2 Stunden fiel das Zykloidengetriebe aus – konnte Last nicht mehr bewegen. Riemenantrieb und Planetengetriebe liefen 8 Stunden weiter problemlos. Danach erneuter Rückschlag-Test:

• Zykloidengetriebe: Präzision völlig verloren – ca. 10 mm freies Spiel bei 20 cm.
• Planetengetriebe: Neues freies Spiel am Ausgang (vorher nicht vorhanden). Getestet mit engster Passung. Rückschlag stieg von ca. 30 auf 60 Bogenminuten.
• Riemenantrieb: Rückschlag von ca. 25 auf 35 Bogenminuten.

Innereinsicht:

• Zykloidengetriebe: Deutliche Verschleißspuren an den Scheiben (Profil und Ausgangslöcher). PLA verformt → Präzisionsverlust.
• Planetengetriebe: Kaum sichtbarer Verschleiß. Wahrscheinlich minimale Verformung / Abrieb der Nahtblasen beim Druck. Nach deren Abrieb steigt Rückschlag. Engerere Drucktoleranzen zu Beginn könnten nach Einlaufphase bessere Präzision und Wirkungsgrad bringen.
• Riemenantrieb: Verschleiß an der Riemenrückseite, wo das Spannlager drückt. Lösbar durch passendes 10 mm-Spannrad. Riemen können nachträglich nachgespannt werden – bei den anderen Antrieben unmöglich (kein Material nachlegbar, nichts spannbar).

Alles in allem: Der Riemenantrieb ist der beste Performer.

Er gewann auch in Gewicht, Kosten und Fertigungsfreundlichkeit.

Weitere Vergleiche

Gesamtgewicht inkl. Schrittmotor: Riemenantrieb ca. 550 g, Planetengetriebe ca. 600 g, Zykloidengetriebe ca. 710 g. Gewicht ist entscheidend für Roboter-Gelenke.

Größe: Zykloidengetriebe am kompaktesten; Planetengetriebe und Riemenantrieb ähnlich, aber unterschiedliche Konfiguration.

Montagekomplexität: Zykloidengetriebe am aufwendigsten, dann Planetengetriebe, Riemenantrieb am einfachsten (wenigste Nicht-Druckteile).

Kosten (nur Zukaufteile, ohne Druckteile): Zykloidengetriebe ca. 28 $, Planetengetriebe ca. 23 $, Riemenantrieb nur ca. 7,50 $ (ca. 1/3 bis 1/4).

Fazit

Endgültiges Urteil: Was ist besser – 3D-gedrucktes Zykloidengetriebe, Planetengetriebe oder Riemenantrieb?

Ich würde das Zykloidengetriebe vermeiden – seine einzige Stärke war Kompaktheit.

Planetengetriebe und Riemenantrieb zeigten sehr ähnliche Leistung, aber wenn ich einen Sieger küren muss: der Riemenantrieb. Er war in jeder Kategorie bestens – Präzision, Wirkungsgrad, Haltbarkeit – und dazu am einfachsten und günstigsten zu bauen.

Doch ich belasse es nicht dabei: Ich plane weitere Vergleichstests in realen Szenarien – zwei Roboterarme, einer mit Planetengetrieben, der andere mit Riemenantrieben – um die Praxis-Performance zu prüfen.