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BRAND/Sindoh 뉴스

신도리코 3D스퀘어에서 3D프린터로 가동 부품 한번에 출력하기



3D프린터를 활용하면 일상 생활에서 간단한 작업용 도구나 연필 꽂이, 작은 화분 같은 생활용품도 자신의 취향에 맞게 모델링하고 출력하여 바로 실물화할 수 있습니다. 기어, 체인, 벨트, 풀리 등으로 구성돼 동력이 전달되는 간단한 기계 모형도 3D 프린터로 직접 설계하여 제작하면 기계의 구동 원리를 쉽게 알 수 있어 교육용으로도 많이 활용되고 있는데요.


특히 부품을 각각 출력하는 것이 아니라 부품이 결합된 상태로 출력한 후 가동이 가능한 출력물로 바로 만들 수 있다는 것이 3D프린터의 최대 장점입니다. 복잡한 조립 절차를 거치지 않아도 되어 제작에 소요되는 시간도 크게 절약할 수 있겠죠? 오늘은 신도리코3D스퀘어에서 3D프린터로 만든 스프라켓(Sprocket)과 체인(Chain) 제작 소식을 전해드리겠습니다. 



▲ 일반적인 가동 부품 제작 방법 모습 – 구성 부품을 만들어서 조립


▲ 3D프린터를 활용한 가동 부품 제작 방법 모습 –결합된 상태로 한 번에 출력



3D프린터를 활용한 가동 체인 제작


위 예시 이미지와 같이 가동 부품 제작 방법은 두 가지가 있습니다. 베어링, 링크, 핀 등 체인을 구성하는 부품을 각각 만들어 조립하여 제작하는 일반적인 방법과 결합된 형태의 3D모델링을 통해 한번에 출력하여 만드는 방법이 있습니다. 


별도의 조립 과정이 없이 3D프린터를 활용해 한번에 만들 수 있으니 무척 편리한 방식인데요. 이를 위해서는 가동부 부품에 공차 반영이 필요합니다. FDM 방식 3D프린터의 경우 PLA 또는 ABS 필라멘트가 고온에 압출되어 적층된 후 상온에서 냉각되는 과정에서 일정 부분 수축이 발생할 수 있습니다. 이 때문에 가동 부분에 적당한 간격을 줄 수 있는 기존 치수에 공차를 적용해야만 출력 후 서로 붙는 현상 없이 움직일 수 있습니다. 



▲ (좌-우 순서대로) 공차별 모델링 / 좌우측면 이격 / 핀 직경 공차 적용 



공차 적용하여 사전 출력하기


본격적으로 3D프린터를 활용한 체인 제작 과정을 알아볼까요? 앞에 설명한 것처럼 가동 부위에는 일정 값의 공차를 적용한 후 출력해야 움직임이 가능합니다. 공차는 현재 사용하는 재료, 온도, 습도, 채움(Infill), 적층 높이 등을 고려해 설정하면 됩니다. 


보통 FDM 출력의 경우 객체와 객체간 최소 0.2~0.5mm정도로 공차를 두는 것으로 알려져 있지만 이는 출력물에 따라 다르기 때문에 사전에 간이 출력 등을 통해 적정한 공차값을 구하는 것이 좋습니다. 신도리코 3D 스퀘어에서는 ▲ 신도리코 3D프린터 DP200 (노즐 직경 0.4mm) 사용 ▲ PLA 재료 사용 ▲ 채움 15% ▲ 출력 속도 40mm/s ▲ 체인의 1~2마디 모델링 등의 출력 조건들을 고려하여 0.2, 0.4. 0.6, 0.8의 공차를 각각 적용하여 사전 출력을 진행하였습니다. 



▲ (좌-우 순서대로) 0.4 / 0.6 / 0.8mm 적용 출력물  



모델링에 사용된 체인의 핀과 홀의 직경은 지름 6mm였는데요. 홀의 직경은 그대로 두고 직경에 0.6mm 공차를 적용한 경우에는 핀의 지름을 5.4mm로 변경하였습니다. 체인의 좌우 측면의 가운데 부분과 위아래 모두에는 0.3mm씩 간격을 두도록 수정하였습니다. 


이렇게 모델링을 통해 사전 출력하여 가동 테스트를 진행한 결과, 0.4mm 이하는 전혀 움직이지 않았고 0.6mm인 경우에는 처음에는 뻑뻑하였으나 몇 번 가동시킨 결과 부드럽게 움직였으며 0.8mm인 경우는 가동성이 좋으나 조금 헐겁게 느껴졌습니다. 



3D프린터로 체인, 핀, 스프라켓 출력하기



▲ (좌) 체인, 핀 배치 / (우) 스프라켓



사전 출력이 마무리되었다면 사용하는 3D 프린터 기종의 베드 사이즈에 맞게 체인을 3마디 정도로 분할합니다. 그리고 분할된 체인을 이어줄 핀도 함께 모델링하였습니다. 여기서 핀을 결합한 후 반대쪽에 끼워줄 머리 부분의 홀이 헐겁지 않도록 공차를 더 작게(0.4mm) 적용했습니다.


출력 방향은 체인의 마디 사이에 서포트가 최대한 생성되지 않도록 기어의 홀 부위를 Z축 방향으로 배치했는데요. 뒷바퀴 기어인 스프라켓은 체인링 이빨 부위의 형상과 중앙부 쉐프트(shaft)의 직경이 정확해야 하므로 위의 오른쪽 그림과 같이 눕혀서 출력했습니다. 



▲ (좌) 체인, 핀 슬라이싱 / (우) 스프라켓 슬라이싱 



이렇게 해서 준비된 체인과 핀의 출력 시간은 약 8시간 정도였고, PLA는 63.2g이 사용되었습니다. 스프라켓(직경 117mm, 높이 17mm)은 약 11시간에 걸쳐 출력이 이뤄져 모두 출력물이 완성되었습니다. 



후가공 마감 작업하기





3D프린터를 사용해 가동 부품의 출력물들이 한번에 제작되었습니다! 이제 간단한 조립을 통한 마감 작업만이 남았는데요. 서포터와 라프트를 제거한 후 체인의 각 가동 부위가 움직일 수 있도록 같이 출력한 핀과 머리를 이용해 이어줍니다. 그 다음 연결된 체인을 출력된 스프라켓에 걸어 피치 체인과 스프라켓의 이빨이 정확하게 맞는지, 회전 시 스프라켓의 이빨이 체인의 홀에 부드럽게 들어가고 빠져나올 수 있는지 꼭 확인해야 합니다. 그런 다음 최종적으로 0.6mm 공차를 적용했고 출력한 체인이 부드럽게 움직이는 것을 확인하며 제작을 마무리하였습니다. 





오늘은 3D프린터로 한번에 출력하는 가동 부품 출력 과정을 소개해 드렸습니다. 3D 프린터를 잘 활용하면 복잡한 연결이 필요한 물건도 적절한 공차를 적용해 한번에 제작할 수 있는데요. 신도리코 3D스퀘어에서는 3D프린터를 활용한 다양한 제작기를 소개해 드리고 있으니 아래의 게시물들도 확인해 보세요.