3D 프린팅 기술은 눈부신 속도로 발전하고 있습니다. 얼마 전까지만 해도 아이들을 즐겁게 해 줄 작은 장난감을 만드는 것에 대해 이야기하던 우리가, 다음 순간에는 3D 프린터로 규모 8의 지진에도 견딜 수 있는 콘크리트 건물을 지었다는 소식을 접하게 됩니다. 시간이 흐른다면 "3D 프린터를 3D 프린팅하는 것" 또한 가능해 보입니다.

하지만 미래 전망은 차치하고, 취미로 3D 프린터를 만드는 사람들과 메이커들이 가장 관심을 갖는 것은 여전히 ​​데스크톱 3D 프린터입니다. 어떤 종류가 있는지, 인쇄 속도는 얼마나 빠른지, 가격은 얼마인지 등이죠. 만약 당신이 모든 것을 속속들이 알고 싶어 하거나, 3D 프린터를 직접 만들어 본 경험이 있다면, 이런 질문도 한 번쯤 생각해 봤을 겁니다. 3D 프린터는 어떻게 움직일까?

XYZ, I3, CoreXY 방식은 현재 가장 인기 있는 데스크톱 3D 프린터 방식입니다. 이러한 프린터는 3D 좌표계의 X, Y, Z 방향으로 하나 또는 여러 개의 축을 가지고 있습니다. 각 축의 한쪽 끝에는 모터가 장착되어 동력을 공급합니다. 동기식 벨트 또는 리드스크류는 모터의 회전을 X, Y, Z 방향의 직선 운동으로 변환합니다. 마지막으로, 3방향의 선형 가이드 레일 시스템을 통해 프린터는 축으로 이루어진 3D 공간의 어느 위치에든 노즐을 배치하고, 필라멘트를 압출하여 3D 물체를 제작할 수 있습니다.

가이드 시스템이 중요한 이유는 무엇일까요?

가이드 시스템은 인쇄 과정에서 주로 세 가지 목적을 수행합니다.

1. 정밀도: 엄격한 공차를 구현하고 흔들림을 방지하며, 가이드에 설치된 프린트 헤드 또는 히팅 베드가 미리 정해진 방향을 따라 직선으로 이동하도록 보장합니다.
2. 부드러움: 베어링이나 롤러와의 마찰을 줄여 더욱 부드러운 움직임을 가능하게 합니다.
3. 신뢰성: 뛰어난 강성을 가진 가이드 구조는 기계의 신뢰성을 향상시키고 시간이 지남에 따라 더욱 일관된 출력물을 얻는 데 기여할 수 있습니다.

다양한 가이드 시스템

일반적으로 3D 프린터에 사용되는 가이드 시스템은 다음과 같습니다.

1. 휠 및 프로필
2. 선형 로드 및 베어링
3. 선형 레일
4. 내장형 선형 레일

휠 및 프로필

다양한 안내 장치 중에서 바퀴와 프로파일의 조합이 가장 흔하고 비용 효율적입니다. 일반적으로 3~4개의 롤러가 프로파일의 V자형 또는 T자형 홈을 따라 움직이며 움직임을 안내합니다.

프린터 휠의 바깥쪽 링은 주로 POM(폴리포름알데히드)으로 만들어지고, 안쪽 링은 강철과 볼 베어링으로 ​​구성됩니다. POM은 강도가 높고 변형이 적으며 내마모성이 뛰어나 프린터 휠 제작에 특히 적합합니다. 적절하게 사용하면 POM 롤러는 수백 시간 동안 사용할 수 있습니다. 일부 제조업체는 PC(폴리카보네이트)를 사용하여 휠을 제작하기도 하는데, 이는 강도가 더욱 높고 수명이 길지만 가격은 약간 더 높습니다.

직선 운동을 보장하려면 휠이 프로파일을 제대로 잡아야 합니다. 휠이 너무 헐거우면 고속에서 진동이 발생할 수 있고, 너무 꽉 조이면 마모가 심해집니다. 휠과 레일 사이에 이물질이 쌓여 울퉁불퉁하거나 떨리는 움직임을 유발할 수 있습니다. 따라서 사용자는 프린터 작동 방식에 따라 휠의 조임 정도를 조정하고, 이물질을 제거하며, 필요에 따라 휠을 교체해야 합니다. 다른 가이드 방식에 비해 휠과 프로파일 조합은 더 잦은 유지 보수가 필요합니다.

또한 플라스틱은 금속보다 강성이 낮습니다. 움직이는 동안 바퀴의 변형을 피하기 어렵기 때문에 바퀴를 사용하는 프린터는 일반적으로 강철 가이드를 사용하는 프린터에 비해 정밀도가 떨어집니다.

3D 프린터에 일반적으로 사용되는 프로파일은 V-슬롯 프로파일과 T-슬롯 프로파일 두 가지 유형이 있습니다. 이름에서 알 수 있듯이 두 프로파일의 주요 차이점은 단면 모양입니다. 각 프로파일은 서로 다른 휠과 조합되어 우수한 가이드 효과를 제공합니다.

프로파일은 맞춤 설정이 가능하고, 가격도 저렴하며, 성능도 충분하기 때문에 휠과 프로파일의 조합은 많은 DIY 3D 프린터 제작에 있어 최고의 선택입니다.

장점

• 우수한 안내 성능, 저렴하고 유용함;
• 다양한 선택지가 널리 보급되어 있습니다.
• 설치, 사용 및 수정이 간편합니다.

단점

• 정밀도가 낮음;
• 진동에 더 취약함;
• 더 잦은 유지보수가 필요합니다.

선형 로드 및 베어링

휠 및 프로파일 가이드의 한계로 인해 DIY 사용자들과 제조업체들은 정밀도와 안정성이 뛰어난 또 다른 조합인 선형 로드와 베어링에 더 많은 관심을 기울이게 되었습니다. 지난 몇 년 동안 로드 및 베어링 가이드는 3D 프린터용 가이드 시스템과 거의 동의어가 되었습니다. 프린터의 각 축에는 최소 2개의 로드와 2개의 베어링이 필요합니다. 베어링은 로드를 감싸거나 고정된 형태로, 익스트루더 또는 히팅 베드가 장착된 캐리지에 연결되어 선형 운동을 안내합니다.

선형 로드(또는 매끄러운 로드)는 간단히 말해 원통형 강철 막대이며, 다양한 크기로 제공됩니다. 3D 프린터에서는 일반적으로 직경 8mm의 로드를 사용합니다. 로드는 매우 매끄러운 표면으로 높은 치수 정밀도로 가공할 수 있습니다. 볼 베어링과 함께 적절히 조립된 로드는 상당히 우수한 직선 운동을 구현할 수 있습니다.

물론 매끄러운 것에도 단점이 있습니다. 가이드 용도로 사용할 경우, 막대의 양쪽 끝을 금속 클램프로 고정해야 합니다. 또한 베어링은 직선 운동뿐만 아니라 실린더를 중심으로 360° 회전도 가능합니다. 따라서 익스트루더나 히팅 베드가 직선으로 움직이도록 하려면 평행한 다른 막대의 베어링에 연결해야 합니다. 두 막대 사이의 평행도를 유지하는 것은 특히 DIY 작업자에게 어려운 과제일 수 있습니다.

따라서 샤프트 가이드를 사용하면 한편으로는 정밀도와 안정성이 향상되지만, 다른 한편으로는 차지하는 공간과 무게가 커지고 조립 난이도가 높아집니다.

로드에 사용되는 베어링은 주로 U자형 홈 베어링과 전체가 강철로 만들어진 선형 베어링입니다. U자형 홈 베어링은 로드를 따라 구르는 바퀴와 같은 구조를 가지고 있습니다. 선형 베어링은 외부에 원통형 슬리브가 있고 내부에 여러 줄의 볼이 있어 축을 따라 회전할 수 있습니다. 두 종류 모두 마찰을 최소화하면서 부드러운 구동을 제공합니다.

커넥팅 로드와 베어링은 수명이 길어 로드에 쌓인 이물질을 가끔 청소하고 베어링에 윤활유를 발라주기만 하면 됩니다. 로드가 프레임 역할을 하는 대신 하우징 안에 들어 있는 경우, 하우징을 분해하고 베어링에 윤활유를 바르는 작업이 간단합니다. 하지만 장기간 사용 후 마모된 베어링을 교체하는 것은 다소 까다로울 수 있습니다.

장점

• 탁월한 유도 성능, 높은 정밀도, 적당한 가격;
• 다양한 선택지가 널리 보급되어 있습니다.
• 유지보수 빈도가 낮음;

단점

• 밀폐 시 차지하는 면적과 무게가 더 커집니다.
• 병렬 처리는 문제가 될 수 있습니다.
• 베어링 교체는 까다로울 수 있습니다.

선형 레일

리니어 레일(리니어 가이드라고도 함)은 최근 몇 년 동안 인기를 얻고 있습니다. 강철 레일 부분에는 양쪽에 트랙이 있고, 그 위에 장착된 슬라이더에는 트랙을 따라 움직일 수 있는 두 세트의 볼 베어링이 포함되어 있습니다. 산업용 3D 프린터뿐만 아니라 점점 더 많은 데스크톱 제조업체들이 고급 제품 라인에 리니어 레일을 사용하고 있습니다.

둘 다 강철로 만들어지지만, 실제 작업에서는 선형 레일이 봉형 레일에 비해 굽힘과 진동에 덜 취약합니다. 이는 주로 고유한 설치 방식 때문입니다. 봉형 레일은 양쪽 끝만 고정되는 반면, 선형 레일은 표면에 일정한 간격으로 장착 구멍이 있어 하우징이나 기타 지지 구조물에 단단히 고정할 수 있습니다.

이는 한편으로는 안정적인 직선 운동을 보장하고 인쇄 품질을 향상시키며, 다른 한편으로는 고속에서 과도한 흔들림을 방지하여 속도 한계를 높입니다. 이것이 바로 J1이 고속 인쇄를 구현할 수 있는 이유 중 하나입니다.

조립 과정에서 선형 레일은 쌍을 이루지 않고 단일 축을 안내할 수 있어 공간과 무게를 절약하고 기계를 더욱 가볍고 콤팩트하게 만들 수 있습니다. 또한 레일 평행도에 대해 걱정할 필요가 없습니다.

모든 게 좋아 보이지만, 함정은 뭘까요? 바로 가격입니다. 대략적인 계산에 따르면, 리니어 레일용 슬라이더는 로드용 베어링과 가격이 비슷하지만, 레일 자체는 동일한 길이의 로드 한 쌍보다 약 2.5~4배 비쌉니다. 반면 로드는 저렴하면서도 성능이 충분합니다. 추가 비용과 성능 향상을 비교해 보면, 대부분의 DIY 애호가들은 여전히 ​​로드와 베어링을 선택할 것입니다.

유지 보수 측면에서 선형 레일은 이전 방식과 유사하며 베어링에 정기적인 윤활유를 공급해야 합니다. 노출형 레일은 또한 주기적인 청소가 필요합니다.

장점

• 매우 높은 정밀도;
• 고속 인쇄를 지원합니다.
• 공간을 적게 차지하고 사용이 편리합니다.

단점

• 지지 구조물로 사용할 수 없으며, 프로파일 등에 설치해야 합니다.
• 값비싼.

내장형 선형 레일

위의 지침을 직접 사용하는 대신, 일부 제조업체는 기술적 역량을 향상시키거나 특정 제품에 맞춰 더 나은 솔루션을 모색하고 있습니다.

선형 레일의 핵심 강점은 강철 레일의 높은 강성과 볼 베어링으로 ​​구현되는 정밀하고 부드러운 움직임에 있습니다. 이러한 장점은 매립형 선형 레일에서도 그대로 유지됩니다.

후유는 리니어 모듈을 제작할 때 알루미늄 합금 하우징의 내벽에 두 개의 강철 스트립을 삽입한 다음, CNC 가공을 통해 마이크론 수준의 정밀도로 레일 형태로 가공합니다. 또한, 삽입된 레일의 폭을 넓힘으로써 무게 증가 없이 강성을 더욱 향상시켜 고출력 CNC 작업에 더욱 적합하게 만들었습니다. 일반적인 3D 프린터는 이처럼 극도의 강성을 요구하지 않기 때문입니다.

압출재 표면에 선형 레일을 직접 장착하는 방식과 비교하여, 선형 모듈 내부에 강철 레일을 내장하는 방식은 레일에 먼지가 쌓이는 것을 방지하여 유지보수 빈도를 줄입니다. 또한 모듈을 더욱 가볍고 소형화하여 고가의 기계가 아마추어 제작품처럼 보이지 않도록 합니다. 그러나 선형 레일을 내장하는 방식은 생산자에게 상당한 제조상의 어려움을 야기하며, 일반 선형 레일을 사용하는 방식에 비해 비용적인 이점은 없습니다.

장점

• 선형 레일과 동일: 매우 높은 정밀도, 고속 인쇄 지원, 작은 설치 공간;
• 레일 강성이 더욱 향상되었습니다.
• 레일이 밀폐되어 있어 유지보수 빈도가 낮아집니다.

단점

• 값비싼;
• DIY 작업에는 적합하지 않습니다.