Engranaje mutilado: dientes ausentes para girar solo un tramo

Un engranaje normal arrastra a su pareja durante toda la vuelta. Quítale los dientes a un sector de la circunferencia y dejas de tener una transmisión continua: a cambio ganas algo mucho más útil cuando lo que buscas es movimiento a trozos. El engranaje mueve a la rueda conducida solo mientras los dientes que quedan están en contacto, y el resto del giro la conducida se queda quieta. Es la forma más barata de fabricar movimiento intermitente sin montar una cruz de Ginebra entera. Pero esa simplicidad esconde el verdadero problema, que no está en los dientes que pones, sino en lo que le ocurre a la rueda conducida mientras nada la impulsa.

La cinemática: arrastre por sectores, no por vuelta completa

La idea es geométricamente trivial y vale la pena tenerla clara antes de dimensionar nada. Tienes un engranaje motor que gira de forma continua, pero solo conserva dientes en un arco de su contorno —pongamos un tercio, o un cuarto, según cuánto movimiento quieras entregar por vuelta—. Mientras ese sector dentado está engranando con la conducida, todo funciona como un par de engranajes corriente: la relación de transmisión es la de siempre, el número de dientes manda y la conducida avanza el ángulo que le toca. En cuanto el último diente del sector se sale del engrane, la conducida deja de recibir empuje y, en teoría, debería quedarse exactamente donde la dejaron hasta que el sector dentado complete la vuelta y vuelva a tomarla.

Esa es la palabra clave: debería. Un engranaje no impone posición, solo transmite movimiento mientras hay contacto. En el momento en que el sector liso queda enfrentado a la conducida, nada la sujeta. Y una rueda libre, en un mecanismo real, no se queda quieta porque tú quieras: la inercia que le dejó el último diente tiende a hacerla pasarse de largo, y luego cualquier vibración, el par de una carga colgada o el rebote del propio impacto de desengrane la mueven sin que medie nada. La inercia, lejos de sujetarla, es una de las causas del desplazamiento durante la pausa. Si la conducida se desplaza aunque sea un diente, cuando el sector vuelva a entrar no encontrará el hueco donde lo dejó, y ahí empiezan los problemas.

El reenganche es el problema de verdad

Todo el diseño de un engranaje mutilado se juega en el instante en que los dientes vuelven a tomar contacto. Para que ese reenganche sea limpio tienen que cumplirse dos cosas a la vez: que la conducida esté en la posición angular correcta (que su hueco esté justo donde el primer diente entrante va a caer) y que el primer diente entre sin chocar de plano contra la punta de un diente de la conducida. Si la conducida se ha movido durante la pausa, fallas en lo primero: el diente entrante topa contra una cresta en vez de meterse en un valle, y tienes un choque metal contra metal —plástico contra plástico, aquí— que o atasca el mecanismo o parte el diente.

Conviene separar dos funciones que se confunden con facilidad. Una cosa es definir la posición de parada y otra conservarla. Quien define dónde queda la conducida es la geometría de salida del último diente: el modo en que ese flanco la abandona deja la rueda en un ángulo concreto, ni uno más ni uno menos. Si el último diente la suelta dos grados desfasada, ese error ya está cometido y ningún sistema de retención puramente concéntrico lo corrige; solo lo congela. Por eso el perfil de salida importa tanto como el de entrada: la parada debe quedar centrada respecto al primer diente que va a volver.

Conservar esa posición es trabajo de un sistema de retención que mantenga la conducida clavada durante el reposo. La solución clásica, y la que mejor se imprime, es un arco de retención —una "luna", un sector de circunferencia liso y concéntrico— que sobresale del motor en la zona donde le faltan los dientes. Pero cuidado con cómo bloquea: un arco perfectamente circular alojado en una superficie cóncava también circular no impide nada, la conducida rueda dentro de él como en un cojinete. Lo que de verdad bloquea es que ese arco rellene un rebaje local entre dos dientes de la conducida —no toda su circunferencia— y la frene por tope geométrico. Es exactamente el mismo principio que el disco de bloqueo de una cruz de Ginebra: la luna del mutilado es el equivalente a ese bloqueador, no un añadido prescindible. Y está sincronizada con los dientes por construcción: la luna suelta a la conducida justo cuando el primer diente del sector activo va a entrar, ni antes ni después.

Dimensionar la luna y el juego sin que agarrote

Un engranaje mutilado tiene dos ajustes que conviven, y conviene no confundirlos porque trabajan en sentidos opuestos. Por un lado está el juego entre flancos (backlash) de la zona dentada: el huelgo entre flancos que cualquier engranaje impreso necesita para no agarrotarse. Pero ojo, porque en un mutilado este número manda menos que en un engranaje corriente: ahí cualquier juego se traduce en error angular en la pausa, justo lo que arruina el reenganche, así que aquí no quieres el extremo generoso del rango sino el bajo. Por otro lado está el ajuste del arco de retención contra la conducida, que es lo contrario: ahí no quieres huelgo, quieres que la luna abrace el rebaje lo bastante apretada como para que no se mueva ni un grado durante la pausa.

El conflicto es que esa luna tiene que sujetar firme y, sin embargo, soltar suave en el momento de la transición. Demasiado apriete y el arco frena la conducida justo cuando los dientes intentan arrancarla, lo que carga el primer diente del sector con todo el par de vencer el rozamiento de la luna; demasiado huelgo y la retención no retiene. El equilibrio razonable es darle a la luna un contacto de leve roce —ni interferencia ni juego franco—, contando con que el FDM va a estrechar ese hueco (el mismo material de más que engorda los dientes). La holgura que dibujas no es la que sale de la cama. Razona el ajuste por lado y mídelo en tu impresora antes de fiarte de un número, exactamente con el mismo método que cualquier otro ajuste deslizante; lo tienes en Tolerancias para piezas que se mueven.

Dientes en contacto: la razón de contacto del sector

Antes de decidir qué fracción del contorno conserva dientes, asegúrate de que el sector activo tiene los suficientes para mantener al menos un par de flancos engranado en todo momento mientras arrastra. Es lo que en cualquier engranaje se llama razón de contacto, y aquí no es un refinamiento sino una condición: si el sector es tan corto que entre la salida de un diente y la entrada del siguiente hay un instante sin nadie engranado, la conducida se queda libre a mitad del arrastre, no solo en la pausa, y el avance se vuelve a tirones. Mantén siempre un diente entrando antes de que el anterior salga del engrane.

Y dentro del sector, el primer y el último diente no son dientes completos como los demás: suelen pedir un perfil modificado o parcial. El primero porque tiene que recoger a la conducida sin embestirla, el último porque debe soltarla en la posición justa. No los copies tal cual del resto del contorno; son los dientes que definen el comportamiento del mecanismo en sus dos momentos críticos.

Los dientes de los extremos cobran el impacto

Dentro del sector activo, no todos los dientes trabajan igual. Los del medio entran y salen del engrane con la conducida ya en movimiento, en régimen suave, como en cualquier engranaje. Pero el primer diente del sector es el que rompe la inercia de la conducida parada —tiene que acelerarla de cero— y el último es el que gestiona la separación. El primero, además, es el que sufre el reenganche: si por la holgura o por un grado de desfase la conducida no estaba perfectamente posicionada, ese diente recibe el choque. No es casualidad que, cuando un engranaje mutilado falla, casi siempre se parta justo por ahí.

La defensa es doble. Geométricamente, conviene suavizar la entrada del primer diente: un flanco de arranque algo más tendido, o un pequeño achaflanado en la punta, convierte un golpe seco en una rampa que guía la conducida hasta su sitio en lugar de embestirla. Y estructuralmente, esos dientes extremos agradecen algo más de raíz —un radio de acuerdo generoso donde el diente nace de la rueda— porque es ahí, en la base, donde el impacto concentra la tensión. Un diente con esquina viva en la raíz es una línea de rotura dibujada; redondéala como redondearías la raíz de cualquier brazo cargado a flexión.

En FDM esto se cruza con la anisotropía. El engranaje se imprime plano sobre la cama, como cualquier engranaje, para que los dientes queden trabajando a lo largo de los cordones y no entre capas: un diente cuya carga tire de la unión intercapa delamina al primer impacto fuerte, y el reenganche es precisamente un impacto fuerte. Tumbado en el plano de las capas, la fibra del cordón recorre el diente y absorbe el golpe en la dirección buena. Esto vale para todo engranaje, pero en un mutilado es crítico porque los dientes de los extremos reciben carga de choque, no carga repartida y suave. Una salvedad si la cara del engranaje es ancha: parte de ese impacto solicita también la unión entre el diente y el cuerpo en Z, así que en engranajes anchos no basta la orientación, conviene además no pelar la unión con paredes finas. El porqué de la orientación lo desarrolla Orientación de capas para el movimiento.

Cuándo te conviene y cuándo no

El engranaje mutilado es la herramienta correcta cuando quieres que una rueda avance solo durante parte del ciclo y el resto del tiempo se quede parada: avances intermitentes, mecanismos que dan un tramo de movimiento por vuelta del motor, contadores que pasan un dígito y esperan, levas que disparan un evento una vez por revolución. Frente a una cruz de Ginebra —que entrega un movimiento intermitente más controlado y con paradas más limpias— el mutilado gana en simplicidad: es un engranaje al que le faltan dientes, se imprime de una pieza y no necesita el rodillo ni las ranuras precisas de la Ginebra. A cambio, su parada depende por completo de la luna de retención —que es el mismo principio que el disco de bloqueo de la propia Ginebra, no creas que esta se ahorra la retención— y su reenganche es más brusco. Si necesitas paradas muy repetibles y suaves, o pares altos, la Ginebra es mejor; si lo que quieres es un avance intermitente sencillo y robusto, este mecanismo basta.

Conviene tener presentes sus tres modos de fallo, porque diseñar es sobre todo evitarlos. El primero es la rotura del diente de reenganche por impacto, que se ataca con la suavización de entrada, el refuerzo de raíz y la orientación de capas correcta. El segundo es la posición incorrecta de la conducida durante la pausa, que se evita definiendo bien la salida del último diente y conservándola con una luna de retención bien ajustada —ni floja, que la deja vagar, ni apretada, que carga el primer diente—. Y el tercero es el choque o atasco en el reenganche por mala temporización: si la luna suelta a la conducida demasiado tarde, el diente entra contra una superficie aún bloqueada; si la suelta demasiado pronto, la conducida queda libre un instante antes de que el diente la tome y puede desplazarse. La sincronía entre el final de la luna y el primer diente es geometría pura, y se resuelve en el modelo antes de imprimir nada: ahí es donde de verdad se diseña un engranaje mutilado.