[Reprap 3DR 제작기 - 5] 노즐, 익스트루더, 배선 작업

시작하기에 앞서, 저는 3DR의 풀리-낚싯줄 구조를 타이밍 벨트 구조로 교체했습니다.
풀리-낚싯줄 구조가 저렴하고 가벼우며 정밀도도 높지만, 제 실력의 한계인건지 낚싯줄이 풀리에 정확하게 감기지 않아서 타이밍 풀리와 타이밍 벨트로 교체했습니다.
이렇게 하면 비용이 확 상승하니 제작하는 여러분은 가급적이면 풀리-낚싯줄 구조를 사용하시기 바랍니다.

모터에 연결된 풀리를 RUMBA보드 세트에 동봉되어 있던 20T GT2 알루미늄 풀리로 교체했습니다.

미스미에서 FL685ZZ 플랜지 베어링을 구입해 

벨트가 베어링 바깥으로 밀려나는 것을 막았습니다.

케이블 타이를 이용해 벨트의 장력을 조절하고, Carriage와 벨트를 고정했습니다.

다음은 익스트루더 제작입니다.

Reprap 3DR은 Wade's Geared Extruder를 변형한 Greg Frost's Hinged Accessible Extruder를 보우덴 방식 (피더와 노즐이 서로 떨어져 있고, 테플론 튜브로 연결되어 있는 구조) 에 맞게 변형한 익스트루더를 사용합니다. 한국어로 된 설명중에는 Greg Frost's Hinged Accessible Extruder 의 제작방법에 대한 자세한 설명이 없어서 이 참에 자세히 설명하겠습니다.

먼저, Idler의 Hinge 부분에 너트를 끼워넣어줍니다. 힘으로는 잘 들어가지 않으니 자리르 잘 맞추어 놓고 반대편에서 볼트를 넣어 조이면 쉽게 넣을 수 있습니다.

직경 8mm의 환봉이나 M8 전산볼트를 Idler의 홈 길이에 맞추어 자르고, 608 베어링에 관통시킵니다.

이걸 그대로 Idler 부품에 끼워넣습니다. 베어링에 힘을 주지 말고, 중심 축부분을 눌러 끼워 넣으면 툭 소리와 함께 단단히 고정됩니다.

Extruder 본체에 Idler를 M3 볼트를 이용해 연결합니다.

익스트루더 본체에 608 베어링 2개를 끼웁니다. 단단히 고정되지 않아도 상관없습니다.

Hobbed Bolt를 준비합니다. 저는 Hobbed Bolt를 이베이에서 주문했지만, 공구만 있다면 어렵지 않게 만들 수 있습니다. 자세한 제작 방법은 이곳을 참고합니다.

큰 기어를 Hobbed Bolt의 육각형 머리에 딱 맞도록 끼웁니다. 만약 사이에 틈이 있다면 볼트 머리에 테이프를 감아 딱 맞도록 크기를 조절합니다.

Hobbed Bolt의 톱니 부분이 Extruder의 중앙에 위치하도록 기어와 베어링 사이에 와셔를 넣어 조절합니다.

간격이 적당히 조절되었다면 M8 나일론 너트나 M8 너트 2개를 이용해 풀리지 않도록 조여줍니다.

모터와 작은 기어를 연결하고, 기어가 부드럽게 맞물리면서도 유격이 적게 모터의 위치를 조절합니다.

다음으로는 테플론 튜브를 잡아줄 휘팅을 연결해야 합니다. 원래 1/8" 휘팅을 사용해야 하는데, 저는 M5 휘팅을 구입하는 바람에 출력물과 휘팅의 나사산이 결합되지 않았습니다.

그래서 M5 너트를 에폭시로 접착하고, 휘팅을 연결하였습니다.

휘팅을 연결한 다음에는 테플론 튜브를 연결합니다.

이렇게 익스트루더가 완성되었습니다.

다음으론 배선 작업입니다.

Reprap 3DR은 보드가 위에 장착되고, 모터는 아래에 장착되는 구조입니다. 그렇기 때문에 모터 선을 위로 연결해야 하는데, 이걸 그냥 배선하면 프린터의 멋이 떨어집니다.

장점이 '멋지다' 뿐인 델타가, 전선이 치렁치렁 매달려 있어서 되겠습니까? 제작자도 이 점을 유념했는지, 전선을 프로파일 속으로 넣을 수 있도록 설계했습니다.

사실, 프로파일을 장착하기 전에 프로파일을 약간 갈아내야 합니다. 어떻게 갈아내는지는 제작자의 블로그를 참고해 주세요.

갈아낸 틈으로 모터 선을 통과시킵니다.

그 다음, 위로 나온 선을 뽑아 왼쪽의 구멍으로 통과시킵니다.

구멍으로 통과된 선을 보드에 연결하면 됩니다.

보드가 연결되는 기둥의 구멍이 조금 낮고, M3 볼트가 헐렁하게 박혀서 서포트를 접착제로 고정해 주었습니다.

자세한 배선 방법은 제작자의 글에 잘 설명되어 있습니다. 이 부분은 이미 잘 되어 있으니 제가 굳이 한번 더 설명할 필요는 없을 것 같습니다.

노즐에서 나온 선은 보우덴 튜브와 함께 모아 하나로 감싸주고, 익스트루더 모터 선과 함께 프로파일의 틈을 통해 보드에 연결합니다 이렇게 하면 외부로 드러나는 선 어뵤이 배선이 가능합니다.

노즐은 이번에도 역시 J-Head Nozzle을 이용합니다. 이베이에서 짝퉁 J-Head Nozzle을 판매하는 곳이 많은데, 반드시 정품을 사용합니다. 가격 차이도 거의 안나고, 성능은 정품이 비교도 안되게 좋습니다.

정품 J-Head Nozzle 판매처: http://hotends.com/

노즐 장착에 대해서는 Prusa Mendel 제작기에 자세하게 설명해 놓았으니 참고해 주세요.

지난번엔 카트리지 히터와 디바이스마트의 서미스터를 사용했으나, 이번에는 동봉된 저항과 서미스터를 사용했습니다.

저항과 서미스터의 다리는 동봉된 테플론 슬리브를 이용하여 절연합니다. 다른 소재는 노즐의 온도를 견디지 못하고 녹아버립니다.

저항과 서미스터를 고정할 마땅한 방법이 없어서 에나멜선을 이용해 고정했습니다.

과천과학관 무한상상실의 NP-멘델을 이용하여 팬마운트를 출력해 보드에 80mm 팬을 장착했습니다... 만 소음이 크고 보기도 흉해서 곧 떼어냈습니다. 보드를 냉각할 다른 방법을 생각해 봐야겠습니다.

무한상상실의 Almond를 이용해 손잡이를 출력해 장착했습니다. 손잡이는 직접 설계해 만들었습니다.

사실, 프로파일용 손잡이를 구입해 장착했으면 더 쉬웠겠지만, 왠지 Reprap에는 직접 출력한 손잡이를 달아야만 할 것 같아서 이렇게 만들게 되었습니다.

마지막으로 전원 잭과 USB 포트 구입하여 따로 장착해 주었습니다.

제작자는 LCD를 장착하고, SD 카드로 출력하는 것을 염두에 두고 설계하다 보니 USB 연결이 매우 불편합니다. 다행스럽게도 RUMBA 보드에는 USB 의 4개 선을 납땜으로 연결할 수 있는 자리가 있어 그 곳을 이용해 USB Type B Female 포트를 연결해 주었습니다. 이를 이용하면 보다 쉽고 깔끔하게 연결 가능합니다.

출력 영상입니다.

역시 델타는 형언할 수 없는 멋이 있습니다.

지금도 출력은 충분히 가능하지만, 오토레벨링을 위해 몇 가지 더 삽질하고 있습니다.

다음 게시글에서는 오토레벨링에 대해 다루도록 하겠습니다.

Project Daedalus: 모듈형 우주풍선 프로젝트 기획서

Ⅰ. 프로젝트 요약

심사를 통해 선정된 메이커들과 단체들은 규격에 맞는 모듈을 설계해 본부로 발송한다.

본부에서는 풍선과 낙하산, 카메라, GPS, 전원 공급을 지원한다. 본부에서는 각 메이커들, 단체들이 제작한 모듈들을 취합해 발사하고, 이를 회수해 각 메이커, 단체들에게 재발송한다. 풍선에는 총 8개의 모듈을 장착하되, 4개의 모듈은 단열상자 속에, 4개의 모듈을 외부에 노출되도록 장착한다.

Ⅱ. 사전 정보

1. PongSat

PongSat은 JP Aerospace가 2002년부터 진행해온 프로젝트이다. 전 세계의 학생들, 그리고 메이커들이 각자 자신들이 만든 탁구공 크기의 인공위성을 본부로 보내면, 본부에서는 이들 PongSat을 기상관측용 풍선에 실어 30km 상공으로 날려 보낸다. 풍선이 터지고, PongSat들이 낙하산에 실려 돌아오면 본부에서는 이 PongSat들을 각각의 학생들에게 돌려보낸다.

사람들이 PongSat에 넣는 것들은 씨앗부터 복잡한 장비까지 다양하다. 특히, 마쉬멜로를 집어넣은 PongSat은 30km 상공에서 부풀어 올라 탁구공에 딱 맞는, 구형의 마쉬멜로가 된다.

현재 이 프로젝트는 학생을 대상으로는 무료로 운영되고 있으며, 발사를 위한 모금을 킥스타터에서 진행하기도 했다.

2. 기상관측용 풍선 판매업체

케이웨더 : 02-360-2200 (http://company.kweather.co.kr)

진양공업 : 031-671-7740 (http://www.jinyangind.com)

GBM Inc. : 02-2681-3692 (http://www.gbm.co.kr)

TSE : 031-916-1503(http://www.totalse.com)

동유실업 : 02-783-2156 (http://www.koreaweather.com)

기타 문의사항 - 기상청: 02-2181-0708

다른 사람들이 기존에 진행한 프로젝트를 참고하니, 기상청에서 무료로 풍선을 제공하기도 하는 것 같다.

Ⅲ. 프로젝트 계획

Project Daedalus: 심사를 통해 선정된 메이커들과 단체들은 규격에 맞는 모듈을 설계해 본부로 발송한다. 본부에서는 풍선과 낙하산, 카메라, GPS, 전원 공급을 지원한다. 본부에서는 각 메이커들, 단체들이 제작한 모듈들을 취합해 발사하고, 이를 회수해 각 메이커, 단체들에게 재발송한다. 풍선에는 총 8개의 모듈을 장착하되, 4개의 모듈은 단열상자 속에, 4개의 모듈을 외부에 노출되도록 장착한다.

1. 예상 설계

ⅰ. 기상관측용 풍선

기상청에서 제공받거나, 위에 나열한 업체로부터 구입한다.

Payload는 모듈 질량의 합에 따라 유연하게 결정한다.

ⅱ. 낙하산

어렵지 않게 제작 가능하다. 풍선과 낙하산, 본체를 연결하는 데에는 군용 Paracord를 사용한다. 50kg 가량의 높은 장력을 견딜 수 있고, 저렴하며, 피복이 따로 있어 내구성이 좋다.

ⅲ. 단열 상자

스티로폼 상자를 이용하거나 스티로폼 상자를 분해한 후 재조립해 사용한다. 외부 기온이 영하 50도까지 떨어지므로 잘 밀봉해야 한다. 카메라 부분에는 스티로폼과 아크릴을 이용해 이중창을 만든다.

단열 상자 속 비는 공간은 에어캡으로 채운다.(대류 방지)

ⅳ. 배터리

낮은 온도에서도 작동하는 RC용 리튬폴리머 전지를 사용한다. Hobbyking에서 구입한다.

배터리는 2셀(7.4V)를 사용하고, 5V로 강압하여 모듈들에 전력을 공급한다.

ⅴ. 핫팩

낮은 온도에 의한 기기의 오작동을 막기 위해 단열 상자 내부에 핫팩을 넣는다.

ⅵ. 안드로이드 단말기

카메라, GPS 추적기, 3축 가속도 센서, 3축 지자기 센서, 온도 측정 센서를 겸한다.

분실 확률이 높고, 깨끗한 화면을 필요로 하므로 플래그쉽 모델, 또는 갤럭시 카메라를 중고로 구입한다.

Icarus 앱(https://www.noisebridge.net/wiki/icarus)을 설치하면 GPS 좌표, 온도, 3축 가속도, 3축 지자기 값을 SD카드에 기록하고, 현재 GPS 좌표를 사전 지정한 전화번호로 SMS로 전송한다. 이를 이용하면 착률한 본체를 추적해 회수할 수 있다.

ⅶ. 모듈

CubeSat의 규격인 100mm*100mm*100mm를 따르고, 150g 이하로 제작해야 한다. 4개의 모듈은 단열상자 내부에, 4개의 모듈은 단열상자 외부에 장착한다. 단열상자 내부에 장착한 모듈은 필요에 따라 단열상자 외부에 센서를 장착할 수 도 있다.

모듈의 임무 예를 들어보자면

내부 모듈 - 방사능 측정, 기압 측정, 전파 통신 중계, 리액션 휠 성능 시험

외부 모듈 - 제작한 장비의 작동 한계 측정, 성층권에 초코파이 보내기, 성층권에 노출된 씨앗의 발아 및 성장 분석, 재료의 저온, 저압 특성 분석(인공위성을 제작하기 전의 재료 시험용으로 사용 가능)

2. 제작 계획

ⅰ. 자금을 조달한다. 스폰서를 모집하고, 각 스폰서의 상표가 적힌 띠를 카메라 시야의 하단에 부착해 광고 효과를 제공한다.

ⅱ. 재료를 구입한다.

ⅲ. 낙하산과 단열 상자를 제작한 뒤, 무게추를 넣고 아파트 옥상에서 떨어뜨려 낙하산의 크기가 적절한지, 단열 상자가 충격을 어느 정도 흡수하는지 시험한다.

ⅳ. 모듈을 취합해 본체를 제작한다.

ⅴ. 풍선과 낙하산, 본체를 연결한다.

3. 발사 및 회수 계획

ⅰ. 대한민국은 편서풍이 부는 지역이므로 풍선이 동쪽으로 이동할 것이다. 평원이 있고 국토의 서쪽에 위치한 전라도가 이상적이다.

ⅱ. 일기예보를 통해 바람이 적고 맑은 날을 선정해 발사 장소로 이동한다.

ⅲ. 풍선에 헬륨을 주입하고 Icarus 앱을 실행한 뒤, 동영상을 촬영하는 상태로 풍선을 띄워 보낸다. 청소년 요금제를 이용하면 문자메시지가 무제한이다.

ⅳ. 풍선을 따라 조금씩 이동하다가 본체의 고도가 급격히 떨어지기 시작하면 본체를 추적하기 시작한다. GPS 값을 이용해 낙하한 본체의 위치를 찾아 회수한다.

ⅴ. 본체 외부에 전화번호와 이를 발견해 연락하는 사람에게는 소정의 금액을 제공한다는 문구를 적어놓는다. 이를 통해 직접 회수하지 못한 경우에 타인을 통해 본체를 회수한다.

Ⅳ. 프로젝트의 의의

우주 풍선을 띄우는 것은 어려운 프로젝트는 아니다. 제작도 어렵지 않고, 프로젝트 전체에서 가장 어려운 작업은 낙하한 본체를 회수하는 것이다. 심지어, 초등학생이 아버지의 도움을 받아 우주 풍선을 띄운 사례도 많다. 하지만 본 프로제트의 의의는 ‘모듈’에 있다. 정해진 규격에 맞추어, 여러 사람들이 각자 수행하고 싶은 임무를 하는 것이다. 이는 현재 화재가 되고 있는 CubeSat에 대한 예행연습이 될 수 있고, 적잖은 돈이 들어 쉽사리 진행할 수 없는 우주풍선 프로젝트에 대한 기회를 여러 사람에게 제공하며, 인터넷을 통해 먼 지역의 사람들도 서로 연결되는 제조 2.0의 장점을 잘 보여준다는 데에 그 의의가 있다.

The Star

학교 미디어랩 연구회에서 1학기 프로젝트로 작품(?)을 만들었습니다.

그 이름하야 The Star!

종이를 접어 별을 만들고, 전구를 넣어 학교 스카이브릿지(건물과 건물을 잇는 다리) 아래에 매다는 프로젝트입니다.

사실, 처음에는 종이를 이용해 구름을 만들고, 속에 LED를 넣은 다음 아두이노로 제어하려고 했는데, 어찌어찌 하다 보니 별로 변경되었습니다.

짧은 제작기 시작하겠습니다!

이 작품은 두 개의 작은 별과 한 개의 큰 별로 이루어져 있습니다.

모두 종이를 접어 만들고, 비에 젖는것을 방지하기 위해 수성 방수제를 칠해 주었습니다.

종이접기가 굉장히 손이 많이 가서 오래 걸릴 줄 알았는데, 다 같이 하니까 빠르게 할 수 있어서 하루만에 프로젝트를 끝낼 수 있었습니다.

하지만, 그렇다고 해서 쉬웠던 건 절대절대 아닙니다. 특히 큰 별을 만드는 것은 정말 고역이었죠.

<큰 별을 만드는 과정>

사진에서 보이는 것처럼 큰 별의 크기가 거의 사람 크기에 육박하다 보니 다들 발라붙어서 조립해야 했습니다.

종이 자체의 힘으로 별의 무게를 견디지 못해 계속해서 아래를 여러 사람이 받쳐주어야 했죠.

<큰 별을 만드는 과정 2>

길쭉한 마름모꼴의 조각을 여러개 접어 풀로 붙여 별을 만들어 나갑니다.

<별 옮기기>

별을 만드는 것 뿐 아니라, 옮기는 것 또한 정말 힘들었습니다.

받치는 힘의 균형이 조금만 깨져도 별이 바로 우그러들기 때문에 여러 사람이 조심조심 들고 이동해야 했습니다.

엘리베이터까지 타 가면서 별을 바깥으로 옮기는 데 성공했습니다.

<우그러진 별>

하지만 이 별은 혼자서 구조를 유지하는 것조차 할 수 없기 때문에, 공중에 매다는 것은 정말 어려웠습니다.

별을 만드는 것이나 이동하는 것은 정말 쉽게 느껴질 정도로 공중에 매다는 것은 보통 일이 아니었습니다.

<별 매달기>

결국 낚싯줄을 별 둘레에 감아 최대한 힘이 분산되도록 하고, 5군데에서 실을 동시에 끌어올려 별을 매달았습니다.

별을 매다는 영상을 타임랩스로 만들어 보았습니다.

별을 매달고, 불이 켜지는 것을 확인한 후, 다들 녹초가 된 상태로 저녁을 먹으러 갔습니다.

그리고 저녁을 먹고 온 후, 하늘이 깜깜해지자 점등을 해 보았습니다.

별에 불이 들어오는 그 순간에는 그동안의 모든 고생이 사라지는 기분이었습니다.

낮에는 종이가 두꺼워서 불빛이 잘 보이지 않았기에 실망했는데 밤에 보니 정말 멋있었습니다.

마침 이 날이 학생들이 일주일간 집에 갔다가 돌아오는 날의 전날이었기에 다음 날, 다른 학생들을 놀래킬 기분에 설레였습니다.

그리고 다음날에는 비가 왔습니다. (...)