3D프린팅 부품 조립을 위한 테크닉
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조회 2,033회
작성일 16-07-13 16:50
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[ 3D프린팅 부품조립을 위한 테크닉 ]
▶ 해설기준 : ABS재질 출력시 <FDM프린터 사용>
▶ 3D프린팅 출력 부품간 조립 개요
3D프린팅 출력물품이 단품(1개 부품)일 경우에는 문제가 없으나, 2개 이상의 출력
부품으로 상호 조립하고, 움직임을 부여하려면..조립상 예기치 못한 많은 문제가
발생된다. 이 문제를 사전에 예방하고, 문제 발생시 해결방법을 기술한다
▶ 많은 부품들로 조립된 Assembly제품들은 움직임 기능에 따라 끼움공차와 동작공차,
볼트 체결공차 등을 고려하여 작업해야 하며, 액튜에이터<동력장치>를 설치하여
제품을 동작하려면.. 추가적으로 전동장치와 배선,배관, 스위치, 제어반등을 고려하여
3d모델링 작업부터 기획 작업 해야한다. 상상해 보면.. 생각하는 것은 모두 만들 수
있을 것이라고 감히 판단해 본다. 그러나, 이러한 작업들은 어느정도의 기계 및 전기
설계능력이 수반되어야 하는 조건이 따른다
▶ 동력장치 및 각종 센서의 구입은 포털사이트에서 “센서” 또는 “센서모듈” 단어로 검색
하면 쉽게 구입할 수 있다. 또한 세계적으로 인기가 많은 “아두이노” 제품도 꽤 유용
하다 <본 해설에 말하는 전기 지식은 약간의 공부만으로도 가능하다>
▶ 이제부터 필자가 3D프린팅 작업중에 터득한 3D프린팅 출력 및 부품조립에 대해서
1차적으로 기술한다 <추가 기술은 별도 준비되는데로 진행>
01) Hole 및 홈(Groove)의 공차<Shaft공차를 주지 않을 경우>
* 베어링 경우 : +0.2(베어링볼 및 하우징을 한꺼번에 출력후 강제 움직임)
* 일반구멍의 타이트한 조립 : +0.3<+0.2도 가능하나 다소 무리>
* 일반구멍의 헐렁한 조립 : +0.5
* 내부채움을 10% 이상 50% 이하일 경우에는 +0.1 ~ +0.2를 더 주어야 한다
02) Shaft 및 조립할 Plate의 공차<Hole공차를 주지 않을 경우>
* 베어링 경우 : -0.2(베어링볼 및 하우징을 한꺼번에 출력)
* 일반 축의 타이트한 조립 : -0.3<-0.2도 가능하나 다소 무리>
* 일반 축의 헐렁한 조립 : -0.5
* 내부채움이 10% 이상 50% 이하일 경우에는 -0.1 ~ -0.2를 더 주어야 한다
03) 길이 100mm이상 출력시 휨 방지를 위해 바닥보조재 적용
* 3D프린팅 프로그램에서 바닥 설치옵션을 적용
* 참고로, 바닥면에 홈이나 홀 없는 전체면을 출력하면 휨이나 들뜸현상이 무조건
발생하니.. 주의해야 한다
04) 나사못 및 볼트 조립을 위한 구멍의 내경 지름(디자인 경우)
* M3mm 이하는 지름 3에서 -0.1 ~ -0.2
* M4mm는 내경 3.8
* M5mm는 내경 4.6
* M6mm는 내경 5.4
* 출력한 이후 내경지름은 위의 수치보다 약 -0.2정도 더 작게 된다
<대부분의 FDM방식 3D프린터에서 출력하게 되면 상기 치수보다 더 적게 출력된다>
05) ABS 재질로만 볼트 너트 출력시 체결공차
* ABS재질의 볼트 외경은 -0.5<단, 너트 내경에 공차를 적용치 않을경우>
* ABS재질의 너트 내경은 +0.5<단, 볼트 외경에 공차를 적용치 않을경우>
* 만일 정밀한 체결이 필요한 경우에는 공차 ±0.3정도만 주어 출력한 후, 탭(Tap)이나
다이스(Dice) 공구를 이용하여 나사를 강제로 가공하면 흔들림이 적은 체결이 가능
하게 된다. 다소 노가다 ㅠ ㅠ...
06) 만일 출력물이 휘어진 상태라면.. 휨을 보정하기 위해..
* 출력 완료 즉시 꺼내어 차갑지 않은 평평한 곳에 놓은 후, 무거운 물체로 식을때까지
눌러 놓으면 어느정도 휨을 예방할 수 있다
* 또는 열풍기로 열을 전체적으로 가하여 휨을 조정할 수 있다. 통상 100도 이하에서
휨을 조정<100도 이상일 경우 출력물이 자칫 녹을 수가 있다>
* 그리고, 시중에 파는 핫플레이트를 이용하여도 휨을 보정할 수 있다.
* 프린팅 출력시, ABS특징에 따라 양쪽 끝단이 위로 올라가는 휨이 발생된다
* 이부분은 아무래도 많은 출력경험이 필요하다고 판단된다
07) 큰 모델(가로,세로,높이가 150mm 이상일 경우) 출력은 모델을 분리하여 출력
* 큰 모델 출력은 오랜 시간동안 출력하게 된다. 이로인해 내부의 휨 발생과 더불어
들뜸 현상이 두드러진다. 형상에 따라서는 균열도 발생된다. 이것은 FDM 3D프린팅
의 단점중 하나이다
* 대응방법으로는 모델 디자인을 작게 분리하여 출력하면 예방할 수 있다
* 그리고 모델을 분리 디자인할 경우 낙하현상이나 조립방법에 명심하여 작업한다
* FDM 3D프린터 출력크기가 크다고.. 무조건 좋은 것은 아니다
* 한가지 기대되는것은 ABS필라멘트의 재질이 많이 개선되고 있다는 것이다
08) 부품이 작더라도 많은 부품을 한꺼번에 출력하지 않는다
* 작은 부품을 한꺼번에 출력하면 시간이 오래 걸리기 때문에 열에 의해 출력품질이
저하된다. 다소 시간이 걸리더라도 분리하여 출력해야 품질이 확보된다
* 특히, 길거나 얇은 부품의 경우에는 더욱 주의해야 한다
* 필자의 경험으로는 3D프린팅 시간이 10시간을 넘지 않아야 그나마 휨 현상이나
균열을 방지할 수 있다
09) 얇고 높은 벽과 같은 모델 출력시.. 밑부분과 윗부분이 틀어지는 현상이 발생된다
* FDM 3D프린팅에서는 발생되는 큰 문제점 중 하나이다.
* 이 또한 분리하여 출력하면 양호하다
* 근본적인 예방 방법은 모델 디자인시 리브(Rib)를 벽에 추가 디자인하면 된다
(즉, 벽에 수직방향으로 보조벽을 만든다. 단, 출력후 제거가 쉽도록 디자인하거나
보조벽을 그대로 두어서 강도를 유지할 수 있도록 한다)
10) 넓은 면에 큰 사각형의 Hole이 있는 모델은 출력후 모서리가 갈라지는 현상 발생
* 출력후, 재료 특성에 따라 시간이 흐르면서 사각Hole 코너가 갈라진다
(이것은 현재 재료특성 및 출력 형성과정에서 어쩔수 없는 현상이다. 앞으로 많이
개선된다고는 한다)
* 예방방법은 사각 Hole의 코너에 라운딩을 준다. 또한 내부채움을 10% 이하고 출력
(다소 전문적인 지식이지만.. 사각 모서리에 수축응력이 집중되어서 균열 발생)
11) 출력 부품간 조립시 Pin을 이용하면.. 정확한 위치에 조립할 수 있다
* 출력 부품간 서로 닿는 면에 Hole을 가공하고, Pin을 만들어 끼운 후 조립하면
정확한 위치에 쉽게 조립된다.
* 만일, 출력 부품간 완전 고정을 하려면 위와 같이 조립한 후, ABS접착제 또는
아크릴접착제를 이용하여 접착하면 매우 견고히 조립된다 <필자는 이런 방법
으로 조립한다.. 접착부분은 절대 깨지지 않는다>
12) 얇은 부품(두께 0.5mm이하)의 출력
* 얇은 판재형의 모델 출력은 3d프린팅 속성상 품질이 좋지 않은 편이다. 특히 길거나
넓은 판재 출력은 더욱 그러하다.<가로세로 50밀리 이하 크기는 양호한 편이다>
* 대체방법으로는 얇은 ABS판재나, PVC판재를 구하여 제단하는 것이 양호하다
13) 조립은 분해를 고려하여 나사못 및 볼트를 이용하여 조립한다
* 나사못 및 볼트는 스테인레스 재질을 사용하며, 탭 부분의 구멍은 상기 해설한
Shaft 및 Hole의 공차에 준하여 출력한다
* 나사못 및 볼트의 머리모습을 숨기려면 Cap을 만들어 씌우거나 구입하여 씌운다
(시중에서는 "피스캡"이라고 부른다)
* 조립시, 완성하기 전에는 나사못 및 볼트를 완전히 조이지 않고, 대충 조여 놓는다
(ABS재질에 나사못 및 볼트를 자주 조이고 풀면 헐거워 지기 때문이다)
14) 출력부품간 접착은 ABS접착제보다 아크릴접착제인 크로르포륨을 이용
* 아크릴 접착제와 주사기를 함께 구입한 후, 주사기에 크로르포륨을 넣어
조립하는 출력부품 사이에 주입하면 매우 잘 접착된다. 주의해야 할 사항은
크로르포륨 액체가 기화가 잘 되고, 흘러내림 현상이 강하여 주의깊게 주입해야한다
<단, 미성년자에게는 많은 양을 판매하지 않는다. 다른 용도로 유용하는 위험때문>
* 또한 크로르포륨 사용시 냄새 맡지 않아야 하고, 화기에 접근해서는 안된다
* ABS접착제는 접착이 잘 되긴 하나.. 시간이 걸린다. 필요에 따라 사용
15) 서로 마찰하며 이동하는 부분의 표면이 거칠면.. 사포질로 매끄럽게 한다
* ABS재질은 기본적으로 윤활성을 갖고있다. 마찰하는 표면부분이 거칠지만 않으면
마찰 동작성이 양호한 편이다.
* 만일 운동성이 많은 부분(기어..)은 플라스틱 구리스를 구하여 운동부분에 투입
* 고속 이동이나 회전하는 부분에는 ABS재질이 적합치 않다
(대체방법으로는 금속판재를 운동부분에 사용하거나, 기어의 경우 주문제작)
16) 출력 부품들간 조립시 핀을 활용한다<긴 길이는 나사못, 볼트로만 할 수 없기 때문>
* 핀은 구매하여 제단하여 사용한다. 단 핀을 끼운 후, 양쪽 끝단은 열을 녹여서 고정
* 구매 가능한 핀 재질 : PVC, 아크릴, 실리콘 재질의 와이어 또는 봉
* 녹이는 방법 : 전기인두 또는 라이터불로 금속봉을 데워서 녹인다
17) 유리문 및 거울 제작
* FDM 방식의 3D프린팅 재질이 아직 없기 때문에 시중에 판매하는 재료를 구매하여
제단하여 사용
* 유리는 투명PVC 재질로 구입,제작하고, 거울은 아크릴거울로 대체 제작한다
* 접착방법은 접착제를 사용<단, 접착제는 바깥부분만 얇게 바르고 접착한다>
18) 기본적으로 후가공 조치를 위한 기본공구는 준비해 둔다
* 출력 형상별 후가공 작업이 따른다
(3D 출력원리를 이해하고 출력방향을 선정하면.. 후가공 작업은 줄어든다)
* 전동 조각기 세트(가장 좋은 준비도구 ; 기본 드릴, 연마, 샌딩 팁이 포함된 것)
* 모형제작용 조각칼(평,라운드,사선), 조각톱,
* 드릴바이스 및 드릴(직경1.0/1.2/1.5/1.7/2.0/2.2/2.5/2.7/3.0/3.5/4.0/4.5/5.0)
* 접착제(ABS접착제, 아크릴접착제, 순간접착제) 및 전기인두
* 페이퍼(#200, #500), 가는 세모줄(원형,사각형,삼각,평형,반원형)
19) 추가적으로 동력장치(액튜에이터) 및 전기 기자재를 설치하려면..
* 초기 3D모델링 작업부터 고려하여 작업해야 한다. 특히, 전선과 같은 물품은 외부
에서 보이지 않도록 숨겨야 하기 때문에 닥트를 추가 디자인하고 조립될 수 있도록
디자인되어야 한다. 경우에 따라선.. 전선이 출력부품 사이로 삽입될 경우가 많기
때문에 부품 디자인시 배선되는 경로를 디자인 한다
* 동력장치인 모터류는 기본 Base Plate 아래에 위치하고, 스위치 또한 Base Plate
아래 또는 뒷부분에 설치한다
* 동력전달은 유니버설조인트, 커플링, 로드를 이용한다. 이 또한 3D프린팅으로 제작
가능하다
* 전원으로 건전지를 사용할 경우에는 Base Plate아래 또는 내부 보이지 않는곳에
건전지 홀더를 설치하고, 외부전원(어댑터)을 사용 경우에는 뒷부분에 전원 잭 설치
* 열이 많이 발생되는 LED(고휘도) 및 전구 설치시.. 전구 주변에 우선 열에 강한 홀더
를 씌워주고, 이 홀더를 고정하도록 한다.
* 스위치 및 제어반은 출력모델에 만들지 않고, 외부에 별도 만든 후, 케이블 연결
* 모든 케이블 연결은 납땜보다는 커넥터를 이용(추후 유지관리 때문)
20) 출력물을 도색할 경우
* 도색을 하려면 물감(유성, 수성), 붓 또는 스프레이건과 압축기등이 필요하다
* 스프레이건이나 압축기<컴푸레셔>는 다소 비싸다. 그리고 실내 사용에는 오염
때문에 제한이 따른다. 그래서 붓을 이용하여 도색하는 방법을 기술한다
* 붓으로 수성물감 도색은 가장 무난하다. 그러나 지워지는 단점이 있다
* 붓으로 유성물감 도색은 어렵지는 않으나, 물감이 굳게되어 용매제<신나>로 녹여
가며, 작업해야 한다. 다소 불편이 따를 수 밖에 없다. 그러나 도장표면이 수성보다
좋으며, 지워지지 않고, 락카계열, 에나멜계열 등 선택범위가 넓다
* 유성물감 구입시 좋은 방법은 용매제가 섞인 유성물감을 직접 구입하는 것이다.
즉, 구입하자마자 붓을 이용하여 곧바로 도색할 수 있는 유리함이 있다
<참고로, 필자는 일본산이지만.. 모형 도색에 많이 사용되는 군제락카를 주로
사용한다. 용량에 비해 다소 비싸지만, 쉽게 사용할 수 있도록 되어있다. 물론
다양한 칼라색상을 선택할 수 있다. 예를 들어 흰색에 검정색 사이 대부분의 색상이
있으며, 색상별 메탈릭칼라도 있고, 금색, 은색, 형광색, 크롬, 황동, 구리, 스테인
레스, 알루미늄, 등등 많은 색상을 선택할 수 있다>
21) 추후, 분해를 고려하여 조립한다
* 조립 순서를 기록한 매뉴얼 작성
* 많은 부품이 조립되는 복잡한 모델 출력시.. 고정부분은 붙여서 출력하고, 분해가
필요한 부분은 별도 출력하되 조립 및 분해가 쉽도록 위치 핀을 활용하여 체결한다
* 조립,분해가 많은 곳은 작업 편이성을 위해 조립,분해가 쉽도록 디자인
22) 완성된 조립품을 전시
* 투명 아크릴박스(반구형, 사각박스형)를 만들어서 전시
* 시중에서는 반구모양을 크기별 판매하니.. 참고한다. 사각형 박스는 대부분 주문제작
으로 만들 수 있으나, 저가로 만들려면 제단용역을 통해 직접 만든다.
* 아크릴 제단하는 업체에 제단치수를 알려주면 원하는 크기로 판재를 만들 수 있다
(박스 조립시 접착은 아크릴 접착제를 이용하면 쉽게 조립할 수 있다)
* 여기서 소개된 내용은 메카니즘 장치 제작에 중점하여 소개되었지만. 일반 생활용품
이나, 개인용품, 보조용품 등은 직접 사용이 가능하다)
▶ 글 쓴이 한마디...
( 3D프린팅으로 축소 시뮬레이션 모형장치나 설비 제작하기 )
- 결론부터 말하면.. 무한의 가능성이 있습니다. 더구나 3D프린팅 기술은 나날이
급속도로 발전하여 만들 수 없는 물품이 없을 정도입니다. 아직은 재료의 다양성이
미흡하지만, 이 또한 상당한 속도로 개발되고 있습니다.
- 5,6년 이전만 해도 캐릭터나 만드는 프린터가 주류였지만 지금은 용도의 한계가
없을 정도로... 아이디어만 있으면 현실로 만들 수 있는 시대가 도래된 것입니다
- 실제 제품의 단순 전시용 모형이 아닌.. 실제 제품과 동일한 기능을 가진 움직이는
모형을 만들고, 나아가 새로운 제품 출시전 거의 동일한 기능을 가진 저가의 시제품
을 쉽게 만들 수 있게 된 것입니다.
- 또한, 여기서는 소개되지 않지만.. 고가의 3d프린터는 현재 상상을 초월하는 제품
들을 쉽게 만들고 있습니다. 점차 소개토록 하겠습니다
- 본 사이트에 계속하여 업로드 되겠지만.. 생활용품, 산업제품, 개인용품 등 많은
3d프린팅 제품을 간단한 소개와 함께 소개할 예정입니다
- 다만, 본 사이트에서는 FDM방식의 3D프린팅에 대해서만 소개함을 양해 바랍니다
( 3D 디자인 및 설계,제작능력은 3D프린팅의 무한 활용에 다가갈 수 있다 )
- 본인도 본 사이트에 게시되는 3D디자인 및 3D프린팅 능력을 가질때 까지는 꽤
오랜 시간이 필요하였습니다.
- 아쉽게도 모든 제품은 설계능력 없이는 제작될 수가 없습니다. 그러나 설계능력
없어도 약간의 3D조작 능력만 있으면 3D프린팅 작업은 진행할 수 있도록 다양한
3D프로그램들이 소개되고 있는 것은 희망적이라 할 수 있습니다
- 단순히 웹사이트에서 3D모델을 다운 받은 3D프린팅 작업은 큰 의미가 없을 것
입니다. 3D프린팅은 하나의 제조공장과 같다고 할 수 있습니다. 즉 개인이 작은
제조공장을 운영하는 것과 다를 바 없다고 생각합니다. 어느정도의 노력만 있다면
생각을 눈 앞에 만들어 낼 수 있습니다
- 10여년 전만 해도 아이디어는 아이디어로 끝냈지만.. 현재는 아이디어를 쉽고,
빠르게 가질 수 있는.. 상상이 현실화 되는 시대가 되었습니다
- 참고로 세계적 관심이 된 해외 3D프린팅 관련 웹사이트를 소개합니다.
(www.thingiverse.com : 수많은 3D프린팅 사례를 게시하고 있으며, 모델들을
다운받을 수 있는 웹사이트 입니다, 다소의 편집능력만 갖고 있다면.. 편집하여
활용할 수 있도록 자료를 제공하고 있습니다)
상기 내용은 기반지식을 토대로 많은 경험아래 작성된 것입니다. 다소 현실과 상이한
내용도 있겠지만.. 필자는 성심성의껏 작성하였습니다. 여러분의 응원합니다.
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