[3D프린터 활용] 피젯 스피너 만들기 for 솔리드웍스

요즘 인기 상한가(?)를 달리는 피젯 스피너를 3D캐드(솔리드웍스)와 3D프린터를 이용하여 직접 제작해보자. 

물론 이번에도 직접 설계한 도면과 바로 출력해서 사용할 수 있도록 STL파일을 같이 제공한다.

2017년 전반기 가장 한창 인기몰이를 했던 것들중에 피젯 스피너는 당연 핫 그 자체였다고 아내가 이야기 한다.

사실 난 피젯 스피너라는 존재를 눈치챈것은 불과 몇주 전, 우연찮게 유튜브 검색하다가 알았고, 피젯 스피너에 대해서 물어보니 언제쩍 이야기글 지금하냐고 뒷북도 한참 지난 뒷북친다고 핀잔 아닌 핀잔을 주고 있지만, 처음보는 나로서는 이렇게 단순한 기구가 왜 인기를 끌고 있는지 그저 신기할 뿐이다.ㅎㅎㅎㅎ



"피젯 스피너는 한 손에 쥐고 반복적인 회전 동작을 할 수 있는 장난감을 뜻하며, 단순 형태를 회전 시키며서 스트레스와 불안감을 해소할 수 있는 장난감으로 예전부터 팬 돌리기 등과 같은 단순한 반복동작하는 심리패턴을 이용한 장난감이다."


"특히, 불안감 해소 및 집중력 향상에 도움이 된다고 하여, 아이들 뿐만 아니라 어른들도 많이 돌리고 있다."


이리저리 관련 정보들을 찾는 중에 직접 제작에 관련된 정보들이 꽤 많이 보이고, 기성품으로 판매되고 있는 형상도 복잡지 않은 것 같고, 큰 하중이나 피로에 의한 파괴도 것의 없어 보여, 3D프린터로 하나 만들어서 아이들에게 선물로 주면 좋겠다 라는 생각과 동시에 기본적인 러프 스케치 후, 솔리드웍스를 이용하여 형상 설계에 들어갔다.


피젯 스피너 본체 모델링

러프 스케치[각주:1] 를 토대로  스케치와 크기를 지정하는 데, 이때 회전 가속도를 담당할 것과 회전 중심축을 담당할 베어링의 크기를 먼저 선정한 다음 형상의 크기를 지정한다.

여기서는 60계열 베어링 중에서 605 깊은 홈 볼베어링(KS B 2023)을 사용했다. 내경 5mm, 외경 14mm,  폭 5mm로 구성 되어진, 크지 않는 베어링을 사용할 계획으로 크기를 잡았다.


디자인 형상은 가장 일반적인 형태를 유지하고, 어느정도의 강도와 출력시간을 감안하여 줄일 부분과 보강할 부분을 나누어 표현했다.

특히나 피젯 스피터 같은 형태는 특별한 고급 모델링 테크닉을 필요로하지 않고, 최초로 작성한 스케치에 돌출(Extrude)기능으로만 가지고 충분히 형상을 만들 수 있다.


피젯 스피너 손잡이 모델링

피젯 스피너의 기본 원리는 원심력과 구심력 그리고 관성에 의해서 회전하는 장난감이다. 특별하게 불필요한 외부 간섭이 없어야 제대로 회전할 수 있을 것이고, 특히나 605베어링 같은 경우 크기가 작기 때문에 베어링만 손으로 잡고 있을 경우, 손가락과의 간섭이 100% 발생함으로 손잡이도 같이 모델링 한다.

솔직히 없는 것보다 있으면 훨신 파지감도 좋고, 모양도 이쁘다. 하하하 


피젯 스피너 부품 어셈블리(조립품)

모델링한 피젯 스피너의 몸체와 손잡이 그리고 라이브러리로 제공하는 605베어링까지 포함해서 전체적인 조립품을 작성하고, 각 부품간 조립 간섭 및 크기에 따른 비율정도를 분석하고 파악한다.


조립품 [어셈블리(Assembly, Ass'y)]의 중요성에 대해서 잠시 이야기 하고 넘어가자

거의 모든 3D캐드 프로그램 (솔리드웍스, 인벤터, 카티아, UG-nx, Pro-E, 솔리드에지 등등)의 기본 공통점은 파트 모델링 부분, 도면 생성 부분 그리고 조립품 부분 이렇게 3개의 영역으로 이루어져 있다.

각각 명칭에서 보듯이 해당 영역의 작업은 명확하며, 서로가 연결되어 상호적으로 관계를 유지하는 형식으로 이루어져 있고, 모든 영역을 기본적으로 다 활용해야지만 1차적인 3D캐드를 활용할 수 있다라고 본다.

대부분 학교나 학원등지에서 3D캐드에 대해서 설명하면서, 파트(부품) 모델링이 제일 중요하다고 가르친다. 물론 맞는 말이다. 모델링이 되야 조립을 하던, 도면을 내리던 할 수 있으니 말이다.

그리고는 조립품은 만들어진 부품을 단순하게 하나의 조립품 만드는 방법만 설명할 뿐, 왜 조립품을 생성해야 하는지, 설계(제도)에서 조립품이 가지는 의미가 정확하게 무엇인지에 대해서는 특별하게 설명하지 않는 경우를 종종보게 된다.

3D캐드의 적용 분야들 마다 조금씩 의미는 틀릴 수 있겠지만, 조립을 전제로 하는 분야에서는 가장 중요한 부분이 조립품 영역이다. 단순하게 부품만으로는 제도상에서 발생하는 오류를 쉽게 찾을 수 없으며, 다른 부품간의 조합 정도도 단일 부품의 형상만을 가지고는 알기가 상당히 어렵다고 생각한다.

그렇다고 실제 물건으로 만들어서 조립해서 잘못된 부분을 분석하여 다시 수정. 이런 일을 반복한다면 시간과 비용은 기하급수적으로 늘어나게 될 것이고, 생산성 향상과는 빠이빠이 하게 된다.

그래서. 3D캐드를 도입해서 활용하는 기업들은 대부분 조립품상에서 동작분석, 조립분석, 간섭분석, 시뮬레이션(해석)등 다양한 분석기능을 이용하여 작업을 전체적으로 컨트롤 하고, 잘못되거나 오류가 발생하는 부분을 그 자리에서 수정/보완 함으로써 낮은 불량율과 작업시간 단축 및 비용절감까지 1석 다수의 이득을 만들 수 있다.

또한, 탑다운(Top-Down, 하향식), 바텀업(Bottom-Up, 상향식)방식 및 이 둘의 방식을 썪은 미들 업-다운(Middle Up-Down)을 이용함으로써 설계능력 및 생산성을 높일 수 있도록 하는 것이 바로 조립품이다.


도면자료 및 STL파일 다운로드
3D프린팅을 위한 슬라이싱 및 G-코드 생성

우리 회사에서 사용하는 있는 장비는 하이비전 시스템에서 출시된 큐비콘 싱글이기 때문에 전용 슬라이싱 프로그램인 큐비크레이터를 이용하여 본체와 손잡이를 배치했다.

가장 깔끔하고 안전하게 출력되기를 원한다면, 하나씩 출력하는 것이 좋겠지만, 시간관계상(?) 같이 놓고 출력한다.


슬라이싱 프로그램들 마다 설정 레이아웃은 틀리지만, 내부에 있는 설정값들은 거의 비슷하다.

여기서는 ABS 필라멘트로 출력하고, 레이어 0.2mm, 외벽 두께 1.2mm, 채움 50%, 지지대는 기본 설정 후, 기본 출력속도로 출력될 수 있도록 셋팅했다.


3D프린터 출력 및 출력물 확인

(광고아님)개인적으로 많은 3D프린터 장비(?)를 사용해보고 출력해봤지만, 솔직히 울 회사에서 사용하는 큐비콘 싱글 만큼 출력 신뢰도가 좋은 것은 보지 못한 것 같다.ㅠㅠ

정말 추운 한겨울을 제외하고, 거의 99%의 출력 신뢰도를 보이는 녀석이다. ㅎㅎㅎ


퇴근 할 때 믿고 맡길 수 있어서 좋다.


3D프린터 출력물 품질 검사

지금까지 이 블로그를 통해 소개되었던 3D프린터 결과물 중에서 노기스(버니어캘리퍼스)를 들이대며 크기를 측정한 내용은 없는 것 같다.하하하

지금까지와 달리 이번 피젯 스피터 만들기는 하나이상의 부품이 조립되어 하나의 제품으로 만들어지는 형상이기 때문에 열심히 모델링하고, 많은 시간(?)출력해서 조립했는 데, 조립이 되지 않는다면... 허미..ㅠㅠ

다시 모델링 수정 -> G-코드 생성 -> 출력 -> 조립을 될 때 까지 반복해야 한다. (위에 조림품의 중요성 참고)


만약 일반적인 3D프로그램을 이용한다면, 부품 수정하는 자체도 힘들겠지만, 수정할 수 없는 상황이라면 다시 모델링해야 하는 상황이 발생할 수 있지만, 전문 3D캐드는 그 수고를 정말 많이 들어준다. 우리가 비싼 3D캐드 프로그램을 사용하는 또하나의 이유이기도 하다.


3D프린터 장비를 이용하여 결과물을 출력하는 경우, 장비 및 필라멘트 소재, G-코드 설정값, 출력물 크기등에 따라서 열변형률의 차이는 있겠지만, 통상 0.2mm~0.5mm 정도 출력 공차가 발생함으로 예초에 3D프린터 출력을 목적으로 작업한다면, 실제 크기 보다 0.5mm 정도 더 크게 또는 작게 수치를 넣고 출력하면, 출력후에 조립하기 위해서 수 많은 줄질과 사포질을 안해도 된다.


뭐 이건 여담이지만, 내 작업의 기본은 실제 제품용과 3D프린터 출력용을 목적으로 하고 있다.

대부분의 경우, 3D프린터는 위와 같이 출력공차가 많이 발생함으로 모델링 파일 두개를 만들어서 실 제품제작용과 출력용을 따로 구분해서 저장해서 사용하는 경우가 많치만, 나는 3D캐드가 제공하는 기능중에서 수식(메개변수)를 이용하여 실 제품용과 3D프린터 출력용으로 그때 그때 필요할 때마다 변경해서 사용하도록 모델링한다. 

즉, 내부 원통(홈) 공차, 외부 원통(기둥) 공차, 높이공차 값등을 전역변수로 설정해 두고 있어, 도면 작성과 3D프린터용으로 손쉽게 변경할 수 있다.하하


3D프린터 출력물 과 구매품 그리고 조립

3D프린터로 출력한 본체와 상/하 손잡이, 그리고 인터넷에서 주문한 저렵한 중국산 605베어링 4개로 피젯 스피터를 만들기 위한 준비물 구성은 끝났다.


베어링은 크기별로 소재별로 성능과 금액이 천차만별이다. 내가 구입한 베어링은 개당 270원짜리이며, 20개를 준문했다. 그런데 배송비가 1/3이다.하하하


4개의 베어링 중에서 회전 중심축을 담당할 베어링은 붙어있는 실드를 제거한 후, 내부에 있는 구리스(그리스)를 모두 제거해야지만 제대로 회전할 수 있다. 만약 내부 구리스를 제거하지 않으면, 몇바퀴 돌다가 금방 멈춰버린다.


※ 베어링 실드 제거 방법이나, 구리스 제거 방법은 각종 블로그나 유튜브를 통해서 많이 소개되어 있으니 검색해서 찾아 보기를.ㅋㅋ

※ 에시당초에 실드 없는 베어링을 구입하는 것도 방법이다.ㅎㅎㅎ


조립 된 자작 피젯 스피너의 아담한(?) 모습.

FDM방식의 3D프린터의 특성상 표면이 깨끗하지는 못하다.

사진으로 보는 것과는 달리 실제로 보면 조금 봐줄만하고, 크기가 전체 70mm정도로 만들어기 때문에 손 안에 가지고 놀기에는 딱 좋은 것 같다.

원래 손잡이 부분의 지지대는 원래 제거해야 하는 부분이지만, 제거 없이 그냥 사용하는 것도 좋은 방법이다. 손가락 미끌어짐을 방지한다고 해야하나..ㅋㅋ

중국산 싸구려(?) 베어링을 사용한 탓인지 아니면, 회전 가속도를 잡아주는 3개의 베어링이 가벼워서 그런지 그냥 손가락으로 돌렸을 때 대략 20초 정도 회전하는 것 같다. 구리스 없는 베어링 특유의 마찰음은 거의 들리지 않고 조용하게 회전한다.ㅎㅎㅎ


자작 피젯 스피너 실전 동영상

 

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  1. 대략적으로 작성된 평면도 혹은 입면도, 투시도 등을 말하며, 디자인 또는 이미지를 확정하기 위한 초안 작업을 말한다. [본문으로]

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