3D프린터용 필라멘트 연장 및 용접(?!) 기기 제작기.

3D프린터를 사용하면서 아쉬웠던 점이 하나 있었는데, 그것은 바로 버려지는 필라멘트들이었습니다.

필라멘트를 쓰다보면 거의 마지막에 필라멘트가 약간만 남게 되는데, 이럴 경우 뭔가를 출력하기에는 너무 적은 양인 것 같고, 그래도 아까워서 출력을 하자니 출력 중간에 필라멘트가 떨어져서 출력이 실패할 것 같고.. 그래서 결국에는 버려지는 필라멘트들이 꽤 많다는 것이죠. 저는 업체가 아닌 개인으로 3D프린팅을 즐기는 입장에서 이런 자투리 필라멘트들이 너무 아깝더군요.

그래서 필라멘트를 연장할 수 있는 기구를 만들어볼 순 없을까 해서 본 프로젝트(?!)를 시작했습니다. 결과적으로 필라멘트가 연장이 되긴 합니다만 아직도 많은 개선이 필요합니다. 그래도 어느 정도 결과를 보여드릴 수는 있을 것 같아 그 개발과정에 대해 이야기하고자 합니다. 

일단 필라멘트를 연장하기 위해서는 두 가닥의 필라멘트를 붙여야 하고, 즉 필라멘트를 서로 용접(?!)하는 과정이 필요하다고 생각한 저는 필라멘트 두 가닥을 고온의 무엇인가로 서로 녹여 붙여줄 부품이 필요하다고 생각해서 3D모델링을 시작했습니다.

이렇게 생긴 히팅블럭을 생각했습니다. 어차피 필라멘트를 용접하고 나서는 그 용접된 필라멘트를 히팅블럭으로부터 분리를 해야하기 때문에 히팅블럭도 위아래로 분리되는 구조로 디자인했습니다. 이를 3D프린팅해서 시뮬레이션해보면..

이런 식으로 만들어지고, 여기에 필라멘트를 장착하면..

이렇게 되는 것이지요. 구조상으로는 꽤나 잘 맞아떨어지더라구요. 그래서 이 디자인을 히팅블록으로 사용할 수 있도록 알루미늄 CNC 가공을 의뢰해서 만들었습니다.

제가 구상한 디자인이 금속으로 만들어지는게 참 신기하더군요. 물론 이렇게 작은 부품을 개인 혼자서 의뢰해 만들다보니 저 부품 CNC 가공하는데 12만원이나 들었습니다ㅠ;;

CNC 가공한 부품을 조립하면 이런 형태가 되는 것이죠. 아래쪽 구멍으로 히트 카트리지가 들어가게 됩니다. 

이쪽으로는 필라멘트가 들어가구요.

즉, 위 사진과 같이 필라멘트를 장착한 뒤 볼트와 너트를 이용하여 히팅블럭을 조립하고 히트 카트리지를 장착하면..

이와 같이 됩니다. 히트 카트리지 대용으로 300도 정도로 온도가 올라가는 전기인두를 사용했습니다. 그런데.. 생각지도 못한 문제가 발생하게 됩니다.

히팅블럭 전체에 열이 전달되다보니 녹지 않아야 할 양 끝단도 녹아버리는 문제 말이지요.

이래서 디자인을 할 때에는 생각을 많이 해야합니다ㅠ_ㅠ 안그러면 금전적 손실도 크고 몸도 고생합니다ㅠ

히팅블럭에서 양 끝단으로 전달되는 열의 양을 조금이나마 줄이기 위해 히트 카트리지에서 양 끝단으로 이어지는 양쪽 부분을 톱으로 잘라주었습니다.

이런 식으로 말이지요. 

그리고 이 히팅블럭와 용접될 필라멘트들을 고정할 추가 부품이 필요하다고 생각해서 위와 같이 디자인을 구상하구요. 제 블로그를 보신 분들이라면 아시겠지만, 제가 3D모델링을 배우게 된 이유는 그림을 못그려서입니다(;;). 제가 생각한 대로 그림이 안그려지니까 제 생각대로 그릴 수 있는 3D모델링을 배운 것이지요ㅠ

믿기진 않으시겠지만 위 스케치를 3D모델링화 한 것이 바로 위의 모습입니다(;;). 중앙에 히팅블럭을 고정하고 양쪽으로 PTFE 튜브를 관통시켜서 그 속으로 필라멘트를 통과시켜 고정시킨 후 히팅블럭의 양 끝단 부분을 쿨링팬으로 식히는 방식으로 말이죠. 

3D모델링 후 출력을 위해 XYZware for Pro로 불러온 모습입니다. 사용한 3D프린터는 XYZprinting의 da Vinci 1.0 Pro이구요, 출력에 사용한 필라멘트는 TOP3D의 MPLA-Ultra black 1.75mm 필라멘트입니다. 

출력세팅은 핫엔드 온도 220도, 히팅베드 41도, layer thickness 0.1mm, shell thickness는 normal 3 layers, top surface 8 layers, bottom surface 8 layers, Infill density는 10%로 설정하였고, 출력 속도 중 Shells은 normal 60mm/s, surface 60mm/s, small radius(radius < 2.2mm) 30mm/s로, Infill의 경우 normal 70mm/s, top surface 60mm/s, solid infill 60mm/s, 그리고 Other은 bridge printing speed 60mm/s, non-printing movement speed 100mm/s, bottom layer speed 40mm/s, retract speed 60mm/s로 설정하였고 retract length는 4.5mm, active threshold(minimum travel length)는 2mm로 설정하였으며 retract at beginning of each layer와 disable retraction within current perimeter 옵션은 선택하여 출력했습니다.

출력시작!

출력시작 후 약 1시간 30분 정도 지난 후의 모습입니다. 아직 출력되려면 멀었군요. 

출력이 완료된 모습입니다. 출력완료까지 대략 6시간 30분 정도 소요되었습니다.

찌꺼기들을 정리한 후의 출력물 모습입니다. 여기에 쿨링팬과 히팅블럭, PTFE 튜브 등을 조립하면..

이런 방식으로 연결이 되게 됩니다. 

이제 전기인두를 연결하고 쿨링팬과 전기인두에 전원을 공급해서 테스트를 해봅니다.

히팅블럭 부분을 클로즈업해본 모습입니다.

과연 테스트의 결과는?

필라멘트가 용접이 되긴 되는데 여전히 문제가 있었습니다.

이와 같이 양 끝단에서 히팅블럭와 닿아있는 필라멘트가 녹는 문제가 있는 것이지요. 쿨링팬으로 쿨링을 시켜도 이 디자엔에서는 필라멘트 쪽으로 바람이 잘 들어가지 않아 쿨링이 제대로 되지 않는 듯 했습니다.

그래서 위 표시된 부분을 수정해서 히팅블럭 양 끝단의 필라멘트 부분을 좀 더 잘 쿨링할 수 있도록 디자인한 후 3D프린터로 출력했습니다.

출력이 진행되고있는 모습입니다. 출력에 사용한 3D프린터는 앞선 경우와 마찬가지로 XYZprinting의 da Vinci 1.0 Pro이구요, 출력에 사용한 필라멘트는 TOP3D의 MPLA-Ultra black 1.75mm 필라멘트입니다. 

출력 세팅 또한 layer thickness를 0.3mm로 변경한 것 이외에는 앞선 경우와 똑같이 설정했습니다. 좀 더 빨리 출력할려고 layer thickness를 조절했지요.

출력 완료! 출력완료까지 대략 4시간 정도 소요되었습니다.

부품을 3D프린팅 된 결과물에 조립을 해보니 디자인상에서 예상했던 바와 같이 히팅블럭 양 끝단의 필라멘트를 좀 더 쿨링할 수 있는 공간이 확보가 되었음을 알 수 있습니다.

마찬가지로 전기인두와 쿨링팬에 전원을 공급해서 테스트를 해보았는데.. 이번에는 쿨링이 너무 잘되는지 중앙부분에서 두 필라멘트가 잘 용접이 되질 않더군요(;;). 아무래도 중앙부분으로 바람이 너무 많이 간다는 생각에..

그냥 주변에 돌아다니던 종이를 잘라서 위와 같이 배치해서 바람을 막아보니 또 필라멘트가 용접이 되더군요. 

그리고 하나 더.. 이건 참 바보같은 일이었는데요. 필라멘트와 PTFE 튜브가 통과하는 부분이 밀폐되어있어 두 필라멘트가 용접이 된다고 하더라도 뺄 수가 없더군요(;;)

이걸 이 시점에서 깨닫다니.. 저도 참 멍청한 놈입니다ㅠ

그래서 위와 같이 다시 디자인했습니다. 다시 말씀드리지만, 디자인은 참 많이 생각하고 해야 나중에 삽질을 덜합니다ㅠ 일단 히팅블럭의 중앙으로 쿨링팬의 바람이 많이 오지 않도록 바람막이판을 세웠고 필라멘트가 통과하는 부분을 오픈시켜서 홈에 끼운 후 고무줄로 고정할 수 있도록 구조를 구상했습니다. 임시방편이긴 하지만 그래도 가장 빠르게 해볼 수 있는 방법이 이 방법이더군요. 

출력을 시작한 모습입니다. 출력에 사용한 3D프린터는 역시나 XYZprinting의 da Vinci 1.0 Pro이구요, 출력에 사용한 필라멘트는 TOP3D의 MPLA-Ultra black 1.75mm 필라멘트입니다. 

출력 세팅 또한 2번째로 출력했었던 세팅과 동일하게 설정했습니다 (layer thickness = 0.3mm).

출력이 완료되었습니다. 출력완료까지 대략 4시간 30분 정도 소요되었습니다.

전체적인 구조는 이렇습니다. 바람막이판이 생긴게 가장 큰 변화이지요.

부품을 조립하면 이런 구조가 됩니다. 필라멘트를 고무줄로 어떻게 고정하냐구여?

이렇게요ㅎ 

과연 이번에는 필라멘트 용접 결과가 어떻게 나올까요?

짠! 별 무리없이 필라멘트가 용접되어나왔습니다. 히트블럭 양 끝단에서도 그렇게 큰 변형은 없었구요. 앞서 말씀드렸다시피 나중에 전체적으로 구조를 수정할 때 개선해나갈 생각입니다만, 일단은 제가 구상한대로 되는게 좀 신기하더라구요. 

오늘은 필라멘트 연장 및 용접 기기 제작기를 소개해드렸습니다. 최종적으로 뭔가가 완성된 제품도 아니고 앞으로 더 개선해나가야되지만, 이런 식으로 3D프린터를 사용해서 자신이 생각했던 구조를 직접 만들고 응용하는 과정을 보여드리고 싶었습니다. 앞으로도 계속 이 프로젝트에 대한 부분은 업그레이드해나갈 생각입니다ㅎ

이제까지 메이드인네버랜드였습니다~!