3D 프린터 출력물 냉각장치 개조

3년째 사용하고 있는 3D 프린터의 출력물 냉각장치를 개조했습니다.

3D 프린터 Ender-3로 이것저것을 만든 지 3년째입니다.
Ender-3의 기본 성능이 좋은 편이지만, 성능을 더 높이고 싶어 출력물 냉각장치를 개조했습니다.
출력물 냉각장치는 노즐에서 나온 뜨거운 원료를 빠르게 식혀 주는 역할을 합니다.
뜨거운 원료를 빨리 식힐수록 출력물이 변형될 가능성이 작아져 출력물의 품질이 좋아집니다.
특히 오버행(Overhang)이 발생하는 경사면에서 형상의 틀어짐을 줄일 수 있어 지지대(Support) 사용 면적을 줄일 수 있습니다.
지지대가 줄어들면 출력 시간과 후처리 시간을 단축할 수 있습니다.
냉각장치 개조만으로 얻는 이점이 이렇게 많아서 냉각장치를 새롭게 만들었습니다.

█ 설계

새로운 냉각장치가 설치될 공간과 미리 구매한 냉각팬의 형태와 치수를 고려하여 설계했습니다.
설치될 공간에 관한 정보는 MakerBot Thingiverse에서 Ender-3의 입체형상을 찾을 수 있었습니다.
이 형상을 FreeCAD로 읽어서 설계에 사용했습니다.

FreeCAD로 읽은 Ender-3 입체형상

기존 냉각장치가 붙어 있던 3D 프린터 헤드 하우징을 그대로 사용할 수 없게 되어 함께 붙어 있던 히트싱크 냉각기도 다시 만들어야 했습니다.
그래서 히트싱크 냉각팬의 형태와 치수도 확인했습니다.

Ender-3의 기본 히트싱크 냉각팬

▌Ender-3에 냉각팬 배치

Thingiverse에서 받은 Ender-3 입체형상에서 필요 없는 부분을 지우고 적당한 위치에 냉각장치용 냉각팬 2개와 히트싱크용 냉각팬 1개를 배치했습니다.

냉각팬이 배치된 Ender-3 입체형상

▌출력물 냉각장치의 덕트 설계

Ender-3의 기본 냉각장치는 오른쪽에서만 바람이 나오는 구조입니다.
이 구조는 바람출구와 먼 왼쪽을 제대로 식히지 못하는 문제가 있습니다.

Ender-3 기본 냉각장치

양쪽에서 바람이 나오는 제품을 보면, 바람출구가 서로 마주 보고 있어 각각의 공기 흐름을 방해하는 구조입니다.
이런 구조는 냉각효율을 낮출 수 있어 저는 양쪽에서 나오는 바람이 ⅓ 정도만 겹치도록 설계했습니다.

새로운 구조의 냉각장치 덕트

노즐을 중심으로 ⅓ 만 겹치는 바람출구

▌브래킷과 히트싱크 덕트 설계

새로운 냉각장치가 단단히 고정될 수 있게 브래킷과 히트싱크 덕트를 설계했습니다.
3D 프린터 헤드와 X축 이송판 사이에 브래킷이 고정되고 냉각장치와 히트싱크 덕트는 브래킷에 연결되는 구조입니다.
히트싱크 덕트에 냉각장치 양쪽 덕트가 나사로 고정되어 냉각장치의 흔들림을 줄였습니다.

단단히 고정되도록 설계된 브래킷과 히트싱크 덕트

새롭게 설계된 냉각장치 입체형상

█ 3D 프린터로 출력

FreeCAD로 생성한 STL 파일을 Ultimaker Cura로 읽고 Gcode로 변환하여 Creality Ender-3로 출력했습니다.
보기 좋도록 부품별로 색이 다른 PLA 필라멘트를 사용했습니다.

후처리 작업을 줄이려 서포트 없이 출력했지만 나사 구멍이 작게 출력되어 크기를 늘리는 작업을 했습니다.

3D 프린터로 출력한 냉각장치 양쪽 덕트, 히트싱크 덕트, 브래킷

█ 설치

냉각장치 조립, 브래킷 고정, 냉각장치와 히트싱크 덕트 설치, 히트싱크 냉각팬 설치와 전원 연결, 히트블록 실리콘 커버 추가 장착 순으로 진행했습니다.

▌냉각장치 조립

새로운 냉각장치를 Ender-3에 설치하기 전에 냉각장치(냉각팬, 덕트)와 히트싱크 덕트를 조립했습니다.

냉각장치와 히트싱크 덕트 조립

▌브래킷 고정

히트싱크를 고정하는 나사를 풀어서 히트싱크와 X축 이송판 사이에 브래킷을 고정했습니다.

단단히 고정된 브래킷

▌냉각장치와 히트싱크 덕트 설치

나사 4개로 브래킷에 냉각장치와 히트싱크 덕트를 설치했습니다.

단단히 고정된 냉각장치와 히트싱크 덕트

▌히트싱크 냉각팬 설치와 전원 연결

히트싱크 덕트에 기존 냉각팬을 다시 설치하고 새로운 냉각장치의 냉각팬 2개를 직렬로 연결하여 기존 냉각장치를 제거한 전원선에 연결했습니다.
새로운 냉각팬은 12V용이고 기존 냉각팬은 24V용으로 직렬로 연결해서 전압을 맞췄습니다.

히트싱크 냉각팬과 전원선이 연결된 3D 프린터 헤드

▌히트블록 실리콘 커버 추가

히트블록의 열이 히트싱크 덕트로 전달되는 것을 막고 히트블록의 보온을 강화할 목적으로 실리콘 패드를 잘라 만든 실리콘 커버를 히트싱크와 히트블록 사이에 추가했습니다.

히트블록 상단에 딱 맞게 재단된 실리콘 패드

실리콘 커버가 추가된 3D 프린터 헤드

█ 오버행 출력 시험

서포트 없이 출력이 가능한 경사각을 알아보는 오버행 입체형상을 출력해 봤습니다.
기존엔 원료가 심하게 흘러내리는 경사각이 65°였지만, 이번 개조로 75°까지 서포트 없이 출력이 가능한 흘러내림을 보였습니다. 

오버행 시험 결과

█ 작업 후기

▌하우징 고정 나사

설계를 시작하기 전에는 3D 프린터 헤드 하우징 고정에 사용된 나사를 사용하여 새로운 냉각장치를 설치할 수 있을 거라 예상했습니다.
그 나사를 사용하는 방향으로 냉각장치를 설계하려 했지만, 3D 프린터 헤드 왼쪽에만 있는 나사 2개를 사용하여 좌우가 대칭되는 냉각장치를 설계할 수 없었습니다.
균형이 틀어질 것을 우려하여 건드리고 싶지 않던 3D 프린터 헤드 고정 나사를 사용하여 새로운 냉각장치가 설치되는 방향으로 설계했습니다.
헤드에 영향을 미치지 않으면서 새로운 냉각장치가 단단히 고정될 수 있게 설계하기 쉽지 않았지만, 헤드 고정 나사 사용으로 좌우가 예쁘게 대칭이 되는 설계가 가능했습니다.

3D 프린터 헤드 하우징 고정 나사 위치

▌24V 냉각팬

냉각장치의 냉각팬 2개를 처음 연결할 때엔 기존 냉각팬이 24V인지 모르고 설치를 했습니다.
24V 전원에 병렬로 12V 냉각팬 2개를 연결하여 작동 시험을 했을 때, 냉각팬이 심하게 빨리 돌면서 비행기 이륙 소리가 났습니다.
처음엔 새로 구매한 냉각팬의 특성인 줄 알았습니다.
그래서 냉각팬 속도를 100%로 사용하지 않아야겠다고 생각했습니다.
히트싱크 냉각팬을 설치하는 과정에서 냉각팬에 적힌 “DC 24V”를 확인하고 냉각장치의 냉각팬도 24V인 것을 알게 되었습니다.
전압을 2배 높게 작동시킨 냉각팬이 탈이 나진 않았을까 걱정하면서 급하게 직렬로 바꿨습니다.
바꾸고 작동시켰을 때 정상임을 확인하고 안도했습니다. 

히트싱크 냉각팬 제원

█ 사용 후기

오버행과 같은 성능 시험용 형상을 출력했을 땐 형상이 작아서 문제가 발견되지 않았지만, 큰 형상을 출력할 땐 새로운 냉각장치 덕트가 출력물에 닿는 문제가 있었습니다.
덕트 아랫부분이 노즐 끝과 높이가 비슷한 것이 원인이었습니다.
홈이 패이지 않을 만큼 덕트 밑 부분을 자르고 열을 가하여 무르게 만들어서 노즐 끝보다 높도록 형태를 변형시켜 문제를 해결했습니다.

초기 덕트 하단의 높이