DVD 드라이브로 3D 프린터 만들기 - 2부

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사용하지 않는 DVD 드라이브(ODD)로 소형 3D 프린터를 만들어 봤습니다.




▉  설계

무료 3D 설계 프로그램 FreeCAD로 설계를 했습니다.
EWaste 60$ 3DPrinter 제작 과정을 꼼꼼히 보고 준비한 부품과 재료에 맞춰 설계를 했습니다.

직접 만들 것을 설계하기 전에 준비한 부품의 3D 형상을 그렸습니다.
인터넷에서 받을 수 있는 부품의 형상은 형상 파일을 받아서 사용했습니다.

▋  인터넷에서 받은 부품의 3D 형상

핫엔드와 제어보드의 3D 형상 파일은 인터넷에서 쉽게 받을 수 있었습니다.

인터넷에서 받은 핫엔드와 제어보드 형상

▋  부품의 형상 그리기

준비된 익스트루더의 부속품(피팅, 베어링, 기어, 용수철, 스텝모터)을 한번에 그렸습니다.
다음으로 XYZ축 슬라이더와 팬쿨러를 각각 그렸습니다.
설계나 조립에 영향을 미치지 않는 부분은 대충 그렸습니다.

피팅, 베어링, 기어, 용수철, 스텝모터 3D 형상

XYZ축 슬라이더 3D 형상

팬쿨러 3D 형상

▋  멀티툴 브라킷과 핫엔드 마운트 설계

3축 장치는 끝단에 붙는 툴에 따라서 다양한 용도로 사용할 수 있습니다.
끝단에 핫엔드를 달면 3D 프린터가 되고 고속스핀들과 엔드밀을 달게되면 NC공각기계로 쓸 수 있습니다.
이후에 다양한 툴을 달 수 있도록 끝단이 연결되는 Z축의 브라킷을 번용으로 만들었습니다.
멀티툴 브라킷은 사각 홈과 볼트 2개로 툴을 단단히 고정할 수 있도록 설계를 했습니다.

핫엔드 마운트는 Z축의 이동 범위를 고려하여, 슬라이더보다 35mm 아래에 노즐이 위치하도록 설계를 했습니다.

멀티툴 브라킷과 핫엔드 마운트

핫엔드가 결합된 핫엔드 마운트와 멀티물 브라킷

▋  팬덕트 설계

노즐에서 나온 원료를 빨리 식히지 않으면 불량이 발생할 가능성이 높아집니다.
그래서 핫엔드를 식히는 냉각기보다 노즐에서 나온 원료를 식히는 냉각기를 더 강력하게 만듭니다.

힘이 간한 스텝모터로 만들어진 3D 프린터의 핫엔드엔 핫엔드용 팬쿨러와 원료 냉각용 팬쿨러를  각각 설치하지만, 힘이 약한 ODD의 스텝모터로 만든 3D 프린터의 핫엔드엔 팬쿨러를 1개만 달아야 했습니다.
팬쿨러 1개의 무게도 ODD의 스텝모터는 감당하지 못하기 때문에 Z축이 제대로 작동하지 못하는 문제가 발생할 수 있습니다.
이런 문제를 해결하기 위해 팬쿨러 1개로 핫엔드와 원료를 동시해 식힐 수 있도록 팬덕트를 설계했습니다.

중앙에 분할 막이 있는 팬덕트

핫엔드, 팬쿨러가 결합된 팬덕트

▋  익스트루더 설계

필라멘트를 핫엔드로 밀어주는 익스트루더는 구조가 복잡합니다.
체결 부품을 제외하고 필요한 부품이 피팅, 베어링, 기어, 용수철, 모터로 5개나 됩니다.

베어링과 기어의 사이에 있는 필라멘트가 비끄러지지 않도록, 용수철이 연결된 베어링이 필라멘트를 기어에 밀착하도록 만들어야합니다.
용수철이 베어링을 기어 쪽으로 밀 수 있도록 익스트루더를 슬라이더 구조로 설계를 했습니다.
아래 그림의 정중앙에 있는 슬라이더에 베어링이 장착되고, 그 것이 레일을 따라 움직일 수 있는 구조로 설계했습니다.

부속품 5개로 구서된 익스트루더

모든 부품이 결합된 익스트루더

▋  X축 슬라이더 브라킷 설계

EWaste 60$ 3DPrinter는 X축과 Z축이 연결되어 있고 Y축이 독립되어 있습니다.
X축과 Z축을 연결하여 구동 시험을 한 결과, X축이 정확한 위치로 이동하지 못하는 문제가 있었습니다.
이 문제는 X축과 Y축이 동시에 이동할 때 심하게 발생했습니다.

원을 제대로 그리지 못한 출력물

EWaste 60$ 3DPrinter에서는 Z축을 ODD보다 작고 가벼운  플로피디스크 드라이브를 사용했고 핫엔드도 작은 가벼운 걸 사용했기 때문에 문제가 없었을 것으로 예상됩니다.

X축에 부착된 Z축 슬라이더와 핫엔드가 무거운 것이 문제의 원인으로 판단되어, Z축을 독립시키고 Y축에 X축을 부착하는 것으로 문제를 해결했습니다.

Y축에 X축을 단단히 고정시키는 X축 슬라이더 브라킷을 설계했습니다.

Y축과 X축을 이어주는 X축 슬라이더 브라킷

Y축 위의 X축이 슬라이더 브라킷으로 연결된 형상

▋  작업대 설계

작업대는 작업판과 작업대 브라킷으로 구성되어 있습니다.
작업대 브라킷은 X축 슬라이더에 작업판을 연결시켜 줍니다.
작업판은 작업대 브라킷에 볼트, 너트와 더블 클립(용수철 대용)으로 연결됩니다.
작업판에 연결된 볼트를 돌려서 작업판의 수평을 맞출 수 있게 설계를 했습니다.

작업판은 형상이 단순해서 포멕스를 잘라서 만들기로 했습니다.

작업판과 작업대 브라킷

X축 슬라이더에 연결된 작업대

▋  영점스위치 설계

각 축의 슬라이더에는 각 축의 영점을 잡아주는 스위치가 필요합니다.
영정 스위치로는 마이크로스위치(또는 리미트스위치)를 사용합니다.
이 스위치를 슬라이더에 뚤려 있는 구멍에 나사로 고정할 수 있도록 브라킷을 설계했습니다.
X축과 Y축은 영정의 방향이 같아서 같은 형상의 브라킷을 사용하고 Z축은 영점의 방향이 달라서 다른 형상으로 설계를 했습니다.

X축, Y축 마이크로스위치 브라킷

스위치가 결합된 X축, Y축 마이크로스위치 브라킷

Z축 마이크로스위치 브라킷

스위치가 결합된 Z축 마이크로스위치 브라킷

▋  골격 구조물 설계

골격 구조물에는 제어보드, 익스트루더, Y축 슬라이더, Z축 슬라이더가 직접 연결됩니다.
처음엔 판 5개로 설계했지만, ‘X축 슬라이더 브라킷 설계’에서 언급한 문제로 Z축 슬라이더를 골격 구조물에 직접 연결하게 되어 판 1개가 추가 되었습니다.

CAD에서 각 부품과 슬라이더의 위치를 먼저 잡고 골격 구조물을 설계했습니다.

X축 슬라이더와 Z축 슬라이더가 연결된 최초 설계 구조

판 6개로 구성된 최종 골격 구조물

모든 부품이 결합된 골격 구조물의 정면

모든 부품이 결합된 골격 구조물의 후면

▋  필라멘트롤 홀더 설계

필라멘트롤에 감긴 필라멘트가 쉽게 풀리도록 필라멘트롤 홀더를 설계했습니다.
필라멘트롤이 베어링 위에 올라가도록 설계하여 회전 저항을 최소화 했습니다.

처음엔 아래 그림의 녹색 부분으로 구성된 필라멘트롤 홀더를 만들었습니다.
처음 만든 것을 사용해 보니 바닥에서 쉽게 미끄러지는 문제가 있었습니다.
미끄러짐을 방지하려고 홀더 바닥에 실리콘패드를 붙였습니다.
추가로 홀더 2개의 간격이 유지될 수 있도록, 간격을 조절할 수 있는 톱니 발판을 만들었습니다.

필라멘트롤 홀더

간격 조절이 가능한 톱니 발판


필라멘트롤이 올려진 필라멘트롤 홀더

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4년 전에 설치한 전기온수기 에 누전차단기를 설치했습니다.   물이 흐르는 전기온수기(온수기)를 안전하게 사용하려면 반드시 누전차단기(차단기)를 달아줘야 합니다. 혹시 모를 기계 결함으로 수도를 통해서 전기가 흐를 수 있기 때문입니다. 이렇게 중요한 안전장치를 온수기와 함께 설치하지 못했습니다. 처음 해보는 온수기 설치만으로 벅차서 차단기는 생각도 못했습니다. 온수기 설치 이후에 온라인 부품 상가에서 다른 것들과 함께 주문하려고 차단기를 장바구니에 담아 두기만 했습니다. 몇 년간 부모님의 온수기 사용 습관을 보니 전기를 아끼려고 저녁 설거지 이후엔 꼭 끄셨습니다. 전원 스위치가 따로 있는 제품이 아니어서 전원코드를 뽑아서 껐습니다. 차단기를 전원 스위치로 쓰면 편할 것 같았습니다. 안전성, 사용 편의성, 설치 용이성을 고려하여 누전차단기가 내장된 2구 멀티탭을 만들었습니다. █ 구상 차단기의 전극은 노출되어 있어 물이 닿으면 합선 위험이 있습니다. 차단기를 절연 상자에 넣어서 젖은 손으로 조작을 해도 안전하게 만들어야 했습니다. 적당한 것을 찾아보니 콘센트 노출 박스(콘센트 박스)와 폭과 길이가 같은 스위치 노출 박스(스위치 박스)가 있었습니다. 스위치 박스의 내부 높이와 차단기의 높이가 거의 일치했습니다. 차단기에 맞는 노출 박스 덮개는 없어서 직접 만들기로 했습니다. 콘센트 박스와 스위치 박스를 붙여서 누전차단기멀티탭을 만들기로 했습니다. █ 쓰인 부품 구매한 부품들 누전차단기, 스위치 노출 박스, 콘센트 노출 박스, 2구 콘센트를 구매. 백색 포맥스, 전기코드선, 단선 2.5SQ, 볼트와 너트는 집에 있는 것을 사용. 백색 포맥스는 차단기 덮개 제작에 사용. █ 만들기 노축 박스와 규격이 맞지 않은 차단기를 스위치 박스에 고정하는 것부터 시작했습니다. 스위치 박스의 기존 구멍이 차단기에 맞지 않아서 추가로 구멍 2개를 뚫어 볼트와 너트로 고정. 스위치 노출 박스에 장착된 누전차단기 콘센트 박스에도 툭 튀어나온 볼트와 너트가 들어갈 수 있게 구멍을 뚫음.
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