3D 프린팅 기술은 눈부시게 발전하고 있습니다. 아이들을 즐겁게 해 줄 작은 장난감을 만들자는 이야기가 나오다가도, 다음 순간 3D 프린터로 규모 8의 지진에도 견딜 수 있는 콘크리트 건물을 지었다는 뉴스를 접하게 됩니다. 시간이 지나면 "3D 프린터를 3D 프린팅하는 것"도 가능해 보입니다.

하지만 전망은 차치하고라도, 취미인과 제작자들이 더 관심을 갖는 것은 여전히 ​​데스크톱 3D 프린터입니다. 어떤 종류가 있는지, 얼마나 빨리 출력할 수 있는지, 그리고 가격은 얼마인지가 관건입니다. 3D 프린터의 본질을 파헤치는 것을 좋아하거나, 직접 3D 프린터를 만들어 본 적이 있다면, "어떻게 움직이는가?"라는 의문도 해봤을 것입니다.

XYZ, I3, CoreXY는 현재 가장 널리 사용되는 데스크톱 3D 프린터 유형입니다. 이러한 프린터의 작동 방식은 다음과 같습니다. 프린터는 3D 좌표계의 X, Y, Z 방향으로 하나 이상의 축을 가지고 있습니다. 각 축의 한쪽 끝에는 동력을 공급하는 모터가 장착되어 있습니다. 동기식 벨트 또는 리드스크류는 모터의 회전을 X, Y, Z 방향으로 선형 운동으로 변환합니다. 마지막으로, 3방향의 선형 가이드 레일 시스템을 통해 프린터는 축이 형성하는 3D 공간의 어느 지점에나 노즐을 배치하고, 필라멘트를 압출하여 3D 물체를 생성할 수 있습니다.

가이드 시스템이 중요한 이유는 무엇입니까?

가이드 시스템은 인쇄 중에 주로 3가지 목적을 위해 사용됩니다.

1. 정밀도: 엄격한 허용 오차를 실현하고 흔들림을 방지하며 가이드에 설치된 프린트 헤드 또는 가열 베드가 미리 정해진 방향을 따라 선형적으로 이동하도록 보장합니다.
2. 부드러움: 베어링이나 롤러와의 마찰을 줄여 더 부드러운 동작에 기여합니다.
3. 신뢰성: 뛰어난 강성을 갖춘 가이드 구조는 기계의 신뢰성을 높이고 시간이 지나도 더 일관된 인쇄물을 얻는 데 도움이 됩니다.

다양한 가이드 시스템

일반적으로 3D 프린터에 사용되는 가이드 시스템은 다음과 같습니다.

1. 휠 및 프로파일
2. 선형 막대 및 베어링
3. 선형 레일
4. 내장형 선형 레일

휠 및 프로파일

모든 가이드 중에서 휠과 프로파일의 조합이 가장 일반적이고 비용 효율적일 것입니다. 일반적으로 프로파일의 V자 또는 T자 모양 홈을 따라 3~4개의 롤러가 구동되어 움직임을 안내합니다.

휠의 외륜은 대부분 POM(폴리포름알데히드)으로 만들어지며, 내륜은 강철과 볼 베어링으로 ​​구성됩니다. POM은 강도가 높고 변형이 적으며 내마모성이 뛰어나 프린터 휠 제작에 특히 적합합니다. POM 롤러는 올바르게 사용하면 수백 시간 동안 사용할 수 있습니다. 일부 제조업체는 PC(폴리카보네이트)를 사용하여 휠을 만들기도 하는데, PC는 강도가 더 높고 수명이 길지만 가격이 약간 더 비쌉니다.

직선 운동을 보장하려면 휠이 프로파일을 제대로 고정해야 합니다. 휠이 너무 느슨하면 고속에서 진동이 발생할 수 있습니다. 너무 조이면 마모가 심해지고, 쌓인 이물질이 휠과 레일 사이에 쌓여 울퉁불퉁하거나 불안정한 움직임을 유발할 수 있습니다. 따라서 사용자는 프린터 작동 방식에 따라 휠의 조임 강도를 조정하고, 이물질을 청소하고, 필요한 경우 휠을 교체해야 합니다. 다른 가이드와 비교했을 때 휠과 프로파일 조합은 더 자주 유지 관리해야 합니다.

또한, 플라스틱은 금속보다 강성이 낮습니다. 이동 중 휠 변형을 피하기 어렵기 때문에 휠을 사용하는 프린터는 일반적으로 강철 가이드를 사용하는 프린터에 비해 정밀도가 낮습니다.

3D 프린터에 일반적으로 사용되는 프로파일은 V-슬롯 프로파일과 T-슬롯 프로파일, 두 가지 유형으로 제공됩니다. 이름에서 알 수 있듯이 두 프로파일의 주요 차이점은 단면 모양입니다. 서로 다른 프로파일은 서로 다른 휠과 결합하여 우수한 가이드 효과를 얻습니다.

프로필은 사용자 정의가 가능하고, 비용이 저렴하며, 성능이 충분하기 때문에 휠과 프로필의 조합은 많은 DIY 3D 프린터 제작에 가장 적합한 선택입니다.

장점

• 좋은 안내 성능, 저렴하고 유용함;
• 다양한 옵션이 널리 제공됩니다.
• 설치, 사용, 수정이 쉽습니다.

단점

• 낮은 정밀도
• 진동에 더 취약함
• 더 잦은 유지관리가 필요합니다.

선형 막대 및 베어링

휠 및 프로파일 가이드의 한계로 인해 DIY 애호가와 제조업체들은 뛰어난 정밀도와 안정성을 갖춘 또 다른 조합, 즉 선형 로드와 베어링에 더욱 주목하게 되었습니다. 지난 몇 년 동안 로드 및 베어링 가이드는 3D 프린터 가이드 시스템과 거의 동의어가 되었습니다. 프린터의 각 축에는 최소 2개의 로드와 2개의 베어링이 필요합니다. 베어링은 압출기 또는 가열 베드에 장착된 캐리지에 연결되면서 로드를 감싸거나 고정되어 선형 운동을 유도합니다.

선형 막대, 즉 매끄러운 막대는 다양한 크기로 제공되는 원통형 강철 막대입니다. 3D 프린터는 일반적으로 직경 8mm의 막대를 사용합니다. 막대는 매우 매끄러운 표면을 가진 높은 치수 정밀도로 가공될 수 있습니다. 볼 베어링과 함께 사용하면 적절하게 조립된 막대는 상당히 우수한 선형 운동을 달성할 수 있습니다.

물론, 매끄럽다는 단점도 있습니다. 가이드로 사용할 경우, 막대의 양쪽 끝을 금속 클램프로 고정해야 합니다. 또한, 베어링은 선형으로 움직일 뿐만 아니라 실린더를 중심으로 360° 회전할 수도 있습니다. 따라서 압출기나 가열 베드가 선형으로 움직이도록 하려면 베어링을 다른 평행 막대의 베어링에 연결해야 합니다. 두 막대 사이의 평행도를 맞추는 것은 특히 DIY 작업자에게는 어려울 수 있습니다.

따라서 샤프트 가이드를 사용하면 한편으로는 정밀성과 안정성이 높아지지만, 다른 한편으로는 설치 면적과 무게가 늘어나고 조립의 어려움도 커집니다.

로드에 사용되는 베어링은 주로 U자형 홈 베어링과 전체가 강철로 제작된 리니어 베어링입니다. U자형 홈 베어링은 로드를 따라 굴러갈 수 있는 바퀴와 유사합니다. 리니어 베어링은 바깥쪽에 원통형 슬리브가 있고, 안쪽에는 샤프트를 따라 회전할 수 있는 여러 줄의 볼이 있습니다. 두 베어링 모두 최소한의 마찰로 부드러운 가이드를 제공합니다.

로드와 베어링은 수명이 길어 로드에 쌓인 이물질을 가끔 청소하고 베어링에 윤활유를 바르기만 하면 됩니다. 로드가 프레임 역할을 하는 대신 하우징에 내장되어 있는 경우, 하우징을 분해하고 베어링에 윤활유를 바르는 것은 간단합니다. 하지만 장시간 사용 후 마모된 베어링을 교체하는 것은 다소 까다로울 수 있습니다.

장점

• 우수한 안내 성능, 높은 정밀도, 적당한 비용;
• 다양한 옵션이 널리 제공됩니다.
• 낮은 유지관리 빈도

단점

• 밀폐형일 경우 면적과 무게가 커집니다.
• 병렬성은 문제가 될 수 있습니다.
• 베어링을 교체하는 것은 까다로울 수 있습니다.

선형 레일

리니어 가이드라고도 불리는 리니어 레일은 최근 몇 년 동안 큰 인기를 얻고 있습니다. 강철 레일 부분은 양쪽에 트랙이 있고, 그 위에 놓인 슬라이더에는 트랙을 따라 회전하는 두 세트의 볼 베어링이 포함되어 있습니다. 산업용 3D 프린터 외에도 점점 더 많은 데스크톱 제조업체들이 고급 제품 라인에 리니어 레일을 사용하고 있습니다.

두 제품 모두 강철로 제작되지만, 실제 작업에서는 선형 레일이 막대에 비해 굽힘이나 진동에 덜 민감합니다. 이는 주로 고유한 장착 방식 때문입니다. 막대는 양쪽 끝만 고정되는 반면, 선형 레일은 표면에 일정한 간격으로 장착 구멍이 있어 하우징이나 기타 지지 구조물에 단단히 고정할 수 있습니다.

이를 통해 안정적인 직선 운동을 보장하고 인쇄 품질을 향상시키며, 고속 인쇄 시 과도한 흔들림을 방지하여 속도 제한을 높입니다. 이것이 J1이 고속 인쇄를 구현할 수 있는 이유 중 하나입니다.

조립 시, 선형 레일은 페어링 없이 단일 축을 가이드할 수 있어 공간과 무게를 절약하고 기계를 더욱 가볍고 컴팩트하게 만들 수 있습니다. 레일 평행도에 대해서도 걱정할 필요가 없습니다.

다 좋은 것 같지만, 문제는 무엇일까요? 바로 가격입니다. 대략적인 계산에 따르면 선형 레일용 슬라이더는 막대용 베어링과 비슷한 가격이지만, 레일 자체는 같은 길이의 막대 두 개보다 약 2.5~4배 비쌉니다. 이에 비해 막대는 저렴하고 충분히 좋습니다. 추가 비용과 성능 향상을 고려하면, 대부분의 DIY 애호가들은 여전히 ​​막대와 베어링을 선택할 것입니다.

유지 관리를 위해 선형 레일은 이전 레일과 마찬가지로 베어링에 정기적인 윤활이 필요합니다. 노출된 레일도 가끔 청소해야 합니다.

장점

• 매우 높은 정밀도;
• 고속 인쇄를 지원합니다.
• 설치 면적이 작아 사용이 편리합니다.

단점

• 지지 구조물로 사용할 수 없으며 프로필 등에 설치해야 합니다.
• 값비싼.

내장형 선형 레일

일부 제조업체는 위의 가이드를 직접 사용하는 대신, 기술 역량을 향상시키거나 특정 제품에 맞춰 서비스를 제공하기 위해 더 나은 솔루션을 모색하고 있습니다.

리니어 레일의 핵심 강점은 강철 레일의 높은 강성과 볼 베어링을 통한 정밀하고 부드러운 운동에 있습니다. 이러한 장점은 매립형 리니어 레일에도 그대로 적용됩니다.

선형 모듈을 제작할 때, FUYU는 알루미늄 합금 하우징의 내벽에 두 개의 강철 스트립을 매립한 후, CNC 가공을 통해 미크론 수준의 가공 정밀도로 강철을 정밀하게 레일 형태로 연삭합니다. 또한, 더 넓은 매립 레일을 통해 무게 증가 없이 강성을 더욱 향상시켜 고출력 CNC 작업에 더욱 적합합니다. 일반 3D 프린터는 이러한 극한의 강성을 필요로 하지 않기 때문입니다.

압출물 표면에 선형 레일을 직접 장착하는 것과 비교했을 때, 선형 모듈 내부에 강철 레일을 매립하면 레일에 먼지가 쌓이는 것을 방지하여 유지 보수 빈도를 줄일 수 있습니다. 또한 모듈의 무게와 크기가 줄어들어 고가의 기계가 DIY 애호가의 작품처럼 보이지 않게 됩니다. 그러나 선형 레일을 매립하는 것은 제조업체에게 상당한 제조상의 어려움을 안겨주며, 일반 선형 레일에 비해 비용 측면에서 이점이 없습니다.

장점

• 선형 레일과 동일: 매우 높은 정밀도, 고속 인쇄 지원, 작은 설치 공간
• 레일 강성이 더욱 향상되었습니다.
• 레일이 내장되어 있어 유지관리 빈도가 낮습니다.

단점

• 값비싼;
• DIY에 적합하지 않습니다.