1. 수행배경

• 하드웨어 측면

  저희는 일반적인 Mendel, Delta 방식의 3D Printer와 달리 Manipulator의 일종인 Scara 방식을 선정하였습니다. 기구적 측면에서 스카라 로봇은 구조적으로 계층구조를 띄고 있어 기계의 부피가 최소화되어 넓은 영역에서 제조할 수 있습니다. 비슷한 장점을 가진 Arm 방식은 현재 Arduino에서 지원하는 모터의 수가 한정이 되어있기 때문에 기계의 자유도가 높은 스카라 방식을 선택하였습니다. 또한 CNC와 달리 진동 발생이 크지 않으므로 생산적인 측면에서 효율성을 올려줄 것입니다.

• 소프트웨어 측면
   외부 PC에서 서버에 접속하여 프린터의 메인보드에 출력파일을 전달하고 여러 개의 출력물을 출력하도록 명령할 수 있는 시스템을 통해 상기 생산적인 부분을 제어를 합니다. 라즈베리파이에 서버를 구축함으로써 웹페이지를 개설하여 외부에서 서버에 접속해 3D 프린터를 원격으로 조작 가능하도록 합니다.  SCARA형식의 3D Printer에서 넓은 범위의 작업 영역을 가짐에도 불구하고, 실제로  한정된 부분에 작업을 하는 것에 대해 문제점을 파악하였습니다. 이에 우리는 도넛형태의 작업영역을 가지는 SCARA형식의 3D Printer의 특성을 이용하여, 여러 개의 임의 공간을 만들어 다량의 부품을 제조할 수 있습니다.
•  또한  외부 PC에서 서버에 접속하여 프린터의 메인보드에 출력파일을 전달하고 여러 개의 출력물을 출력하도록 명령할 수 있는 시스템을 통해 상기 생산적인 부분을 제어를 합니다. 라즈베리파이에 서버를 구축함으로써 웹페이지를 개설하여 외부에서 서버에 접속해 3D 프린터를 원격으로 조작 가능하도록 합니다.​        

2. 수행기간

• 과제를 진행하는 과정에서 저희는 크게 하드웨어와 소프트웨어 분야로 나누어 수행할 예정입니다. 우선 하드웨어적인 측면에서는 기존 1kg 필라멘트와 동일한 양의 분말을 저장, 공급하여 출력 할 수 있도록 최적의 압출기 형상을 설계하는 것이 우선시 됩니다. 이를 목적으로 테이퍼를 준 스크루 형상을 사용함으로서 압출 압력을 크게 증가시켜 출구부분에 생기는 공기층을 제거할 예정이며, 또한 노즐부분에서 방열이 잘되는 재료를 선정하고 실험해봄으로서 공급부로 전달되는 열전달을 최소화 시킬 계획입니다. 그리고 압출작업 종료 후, 노즐부에 잔여하는 겔은 노즐 고장을 일으킬 수 있으므로, 이를 방지 하기 위한 연구 또한 진행할 예정이며, 이와 동시에 분말 이송속도와 출력속도를 동일시 할 수 있는 스크루 설계에 관한 연구 또한 함께 진행할 예정입니다. 소프트웨어적인 측면에서는 작업 알고리즘에 필요한 G code를 임의로 제작하여 펌웨어에 코딩할 예정이며, 리눅스 상에서 프로그램에 대한 외부 접속 접근의 경우 권한이 문제가 되는 경우가 많으므로 해당 프로그램의 접근 권한을 낮추고 추가로 생기는 문제점을 해결할 예정입니다. 라즈베리파이 내의 리눅스 운영체제에 Apache, PHP, Mysql을 설치하여 서버를 구축하고, 외부 명령을 받아들일 수 있도록 하며, Web상에서 G Code Sending을 통한 프린터 제어 실험를 최종적으로 진행할 계획입니다.

3. 개발작품 설명

• 공급부 : PLA분말을 이송부로 전달하는 재료 저장 및 공급을 합니다. 분말은 중력으로 인해 이송부로 들어가게 되는데, 1kg가량의 분말을 저장 및 공급할 수 있도록 형상을 설계하여 재료공급이 지속적으로 될 수 있도록 하였습니다.

      

• 이송부 : PLA분말을 가열부까지 전달시키는 부분을 의미합니다. 모터로부터 동력을 전달받은 이송스크류는 공급된 PLA분말을 회전시켜 피치 수를 이용하여 원하는 양의 분말을 노즐 앞부분까지 이송합니다. 테이퍼 스크류를 이용하여 압력을 증가시켜 배럴과 스크류 사이가 재료로 완전히 채워지지 않아 공기층이 생겨 출력물에 줄무늬가 생성 되는 문제를 해결하였습니다. 또한 보다 정밀한 출력을 위해 분말의 이송속도와 노즐의 출력속도의 상관관계를 구하고 그에 따른 스크류 설계를 하였습니다.

    

• 가열부 : 스크류를 통해 이송된 PLA분말에 열을 가함으로써 출력에 적합한 겔 형태로 용융시키는 부분을 의미합니다. 노즐부 방열이 잘되는 재료를 선정하여 이송부에서 분말 융용이 일어나는 현상을 방지하였으며, 탈부착이 용이하도록 설계하여 노즐에 남아 응고된 겔에 의한 기기의 고장에 대비하였습니다.        

4. 활용방안

• 1) Powder Extrusion

  현재 3D Printer는 각종 적정기술에서도 유용하게 쓰이고 있습니다. 좌측 아프리카의 보조 기구 등에서도 사용되고 있으나, 가격적인 측면에서 이를 보급화하는 것은 상당히 어려운 면이 있습니다. 하지만 본 연구를 통해서 저렴한 가격으로 지원해줄 수 있습니다.

  또한 대다수의 보조 기구들이 PLA, ABS 등의 고분자 플라스틱으로 이루어져있는데, 이는 실생활에 적용하기에 강도, 강성에서 많이 약하지만 본 연구를 통하여 Graphite 등으로 이를 보안하여 유용하게 사용할 수 있습니다.

• 2) IoT

  유럽에서는 3D Printer가 없는 사용자들과 Owner를 서로를 매칭해주는 3D Hub라는 서비스가 있습니다. 이 서비스는 3D Printer가 없는 사용자들이 모델링을 한 후, 3D Hub를 통해 게시하면 3D Printer가 있는 Owner가 이를 자신의 기기에 맞게 슬라이싱한 후, 출력하고 이를 Order에게 전해줍니다.

  이 서비스의 가장 큰 단점은, 사용자들의 생활 패턴이 서로 다르며 Owner가 직접 슬라이싱을 한 후, 출력을 시켜줘야 하므로 시간이 협의되지 않는다면 오랜 기간이 소모가 된다는 점이 있습니다.

  하지만, 저희의 3D Printer는 위의 단점을 보안한 제품으로 Owner가 없더라도, 3D프린터가 Server에서 Data를 받아 스스로 작동하여, 사용자와 사용자 서로가 존재해야했던 기존의 공유 경제에서 사용자가 없이 소유물과 다른 사용자와 소통하는 공유 경제 2.0의 발판을 마련할 수 있을 것입니다.