2P by GN⁺ | ★ favorite | 댓글 3개
  • FDM/FFF로 기능성 부품을 만들 때는 일반 가공 설계와 다른 판단이 필요하며, 강도·공차·출력성·비용을 함께 맞추는 형상 설계가 핵심임
  • 기준 환경은 0.4mm 노즐0.2mm 레이어 높이의 보편적 FFF 프린터로, 특정 장비 튜닝에 기대지 않는 휴대 가능한 설계를 지향함
  • 강도는 100% 인필보다 출력 방향, 외곽 셸, 큰 단면, 필렛처럼 하중이 흐르는 경로와 표면 재료 배치에 더 크게 좌우됨
  • 공차와 표면 품질은 형상 선택의 영향을 크게 받으며, 수평 구멍·수직 구멍·압입부는 원형을 고집하기보다 물방울형, 평평한 지붕, 육각·사각 구멍, crush rib 등을 고려해야 함
  • 서포트 제거와 조립 시간을 줄이려면 부품 분할, 희생 레이어, 순차 브리징, 기능 통합, heat-set insert·내장 너트·임베디드 하드웨어까지 처음부터 함께 설계해야 함

설계 범위와 기본 전제

  • 대상은 FDM/FFF 프린팅이며, 많은 규칙은 이 공정의 제약에 맞춰져 있어 다른 적층 제조 방식에는 그대로 적용되지 않음
  • 초점은 미관보다 기능성 부품에 있음
    • 기계적 특성이 좋아야 함
    • 출력이 쉬워야 함
    • 프린터 미세 튜닝을 많이 요구하지 않아야 함
    • 대량 출력 시 후가공과 재료 낭비가 적어야 함
  • 설계 목표는 힘, 제조 방식, 비용의 균형임
    • 전달·견뎌야 하는 힘에 형상을 맞춤
    • 작은 형상 변경으로 출력 난도를 낮춤
    • 재료 사용량과 출력 시간을 줄임
  • 프린터·슬라이서 개발자가 가능한 모든 형상을 더 잘 출력하려 한다면, 설계자는 현재 제조 공정에서 잘 작동하도록 부품 형상을 조정함
  • 공유용 모델은 특정 고급 프린터의 타이트한 공차에 기대기보다, 저렴한 프린터에서도 쉽게 출력되는 portable design을 지향해야 함

기준 프린터 프로파일

  • 수치 권장값은 다음과 같은 표준 프린터 프로파일을 기준으로 함
    • 0.4mm 노즐
    • 0.2mm 레이어 높이
    • steps/mm 설정 오류로 인한 큰 치수 편차가 없고, 축 사이 skew가 무시 가능한 수준
    • 출력 속도는 적절히 튜닝됐지만 약간의 overshoot와 ringing 같은 아티팩트는 남을 수 있음
    • 합리적 거리의 브리징은 안정적임
    • 오버행은 잘 출력됨
    • 극단적 형상이 아니라면 베드 접착은 문제가 되지 않음
  • 이 전제는 과도한 장비 성능을 가정하지 않고 휴대 가능한 설계를 유지하기 위한 기준임

부품 강도 설계

  • FFF 출력물은 내부가 일부 비어 있고 레이어로 쌓이기 때문에, 균질한 플라스틱 덩어리와 다르게 동작함
  • 레이어 제조 공정 때문에 방향에 따라 기계적 특성이 달라지는 이방성을 가짐
  • 출력 방향과 하중

    • 가장 중요한 규칙은 인장력이 출력면과 평행하도록 부품을 배치하는 것임
    • 레이어를 벌리는 방향의 인장에는 출력물이 훨씬 약함
    • My Tech Fun의 테스트에서는 이상적 방향에서 약 3배 높은 강도가 나올 수 있음
    • 굽힘도 단면 일부에 인장력을 만들기 때문에, 굽힘 모멘트도 출력면과 평행하게 맞춰야 함
    • clip처럼 반복적으로 휘는 형상은 방향을 잘못 잡으면 쉽게 부러짐
    • Printables 같은 플랫폼에 모델을 공유할 때는 사용자가 바로 출력할 수 있도록 올바른 출력 방향으로 파일을 올리는 것이 좋음
  • 방향 하나로 해결되지 않을 때

    • 복잡한 부품에서 모든 하중에 이상적인 방향이 없으면 부품을 여러 조각으로 나눌 수 있음
    • 각 조각을 개별적으로 최적 방향으로 출력함
    • dovetail joint 같은 조인트는 여러 방향에서 출력성이 좋아 조립에 유용함
  • 인필보다 표면과 단면

    • 100% 인필은 강도를 올릴 수 있지만 효율적이지 않음
    • 추가 재료의 상당 부분이 강도에 기여하지 않고 출력 시간과 재료만 늘릴 수 있음
    • 많은 부품은 순수 인장·압축보다 굽힘 모멘트를 받으며, 응력은 중립축에서 먼 표면 부근에 커짐
    • 3D 프린팅에서는 인필 비율보다 perimeter/shell 수를 늘리는 쪽이 강도에 더 효과적임
    • 힘은 가능한 짧고 곧은 경로로 흐르게 설계해야 함
    • 날카로운 코너는 응력을 집중시키고, 필렛은 힘의 경로를 더 직접적으로 만들어 강도에 유리함
    • 전통적 기계 설계에서는 단면적을 줄여 재료와 무게를 줄이지만, 3D 프린팅에서는 내부가 대부분 비어 있어 단면을 키워도 재료 사용량이 크게 늘지 않을 수 있음
    • 표면적이 재료 사용량에 더 큰 영향을 주므로, I-beam보다 같은 외곽 치수의 사각 단면이 비슷하거나 더 강하고 출력 시간도 나을 수 있음
  • 시뮬레이션과 실험 출력

    • FFF 출력물은 shell과 infill 때문에 불균질해, 전통적 강도 시뮬레이션으로 한계 하중을 현실적으로 산출하기 어려움
    • 응력 해석은 주의할 부위를 찾는 데는 쓸 수 있지만, 정확한 제한 하중을 얻는 용도에는 부적합함
    • 3D 프린팅은 시제품 출력 비용이 낮아, 몇 개를 실제로 출력해 기계적 특성을 확인하는 방식이 비용 효율적일 수 있음
    • 치수 정확도를 테스트 출력만으로 맞추는 방식은 특정 프린터와 슬라이서 설정에 의존하므로 주의가 필요함
    • topology optimization은 다른 적층 제조에는 유용할 수 있지만, 현재 도구로는 FFF에 진짜 최적인 형상을 만들기 어렵고 출력성도 좋지 않은 경우가 많음

공차와 표면 품질

  • chamfer와 fillet 선택

    • 출력면과 평행한 edge에는 chamfer가 더 적합함
    • fillet은 처음에 매우 급한 오버행을 만들 수 있고, 위쪽 fillet은 레이어 스텝이 두드러져 표면 품질을 떨어뜨림
    • chamfer는 일정한 오버행 각도를 만들어 더 일관된 레이어 스텝을 냄
    • 출력면에 수직인 edge에는 fillet이 더 적합함
    • 프린트 헤드가 날카로운 코너를 돌지 않아도 되어 ringing과 overshoot 같은 표면 아티팩트가 줄어듦
    • chamfer는 두 개의 날카로운 코너를 만들어 공차와 외관에 불리할 수 있음
  • 구멍과 seam

    • 수평 원형 구멍은 위쪽이 급한 오버행이 되어 문제가 커짐
    • 작은 구멍은 90° 물방울형이 잘 맞고, 큰 구멍은 위쪽을 평평한 roof로 만들 수 있음
    • bridge가 약간 처질 수 있으므로 roof 아래에는 추가 여유가 필요함
    • 수직 원형 구멍은 perimeter seam 때문에 공차가 흔들릴 수 있음
    • seam 아티팩트는 나머지 둘레가 0.1mm 미만으로 맞아도 0.4mm 수준의 튀어나옴을 만들 수 있음
    • seam이 한 위치에만 생기면 구멍 중심선도 이동할 수 있음
    • 수직 구멍은 120° 코너를 가진 물방울형으로 만들어 seam이 원형 기능부에 간섭하지 않게 할 수 있음
    • 다른 기능부가 seam에 민감하면 작은 notch를 추가해 slicer가 seam을 숨길 가장 날카로운 코너를 갖게 할 수 있음
  • 기대 가능한 FFF 공차

    • 설계자는 특정 프린터가 달성해야 하는 공차를 지정하기보다, 제조 공정이 갖는 공차를 받아들이고 그에 맞춰 설계해야 함
    • 전제는 프린터가 잘 보정되어 있다는 것임
    • 잘못된 steps/mm 설정은 축 방향 치수에 일정한 비율 오류를 만들며, 설계가 이를 보상해서는 안 됨
    • 최신 프린터의 이론적 step resolution은 약 0.01mm 수준이지만, 실제 치수 오차에서는 다른 요인이 더 큼
    • 날카로운 코너는 프린트 헤드에 큰 가속을 요구하므로 공차를 나쁘게 만들 수 있음
    • 0.4mm 노즐과 0.2mm 레이어 높이의 대중적 FFF 프린터에서는 표면별 편차를 ±0.1mm 정도로 보는 것이 안전한 기준임
    • 원형 경로에서는 노즐이 압출선을 끌고 가는 효과 때문에 원이 작아지는 경향이 있음
    • 내부 원형 구멍은 더 작아지는 방향의 편차를 예상해야 하며, 외부 원형 지름도 작아질 수 있지만 내부 원보다 정도는 낮음
    • 큰 치수에서는 프린터 자체 공차보다 냉각 중 warping과 shrinkage가 더 중요해짐
    • warping은 재료에 크게 의존하며, 부피가 있고 edge가 덜 날카롭고 표면이 매끄럽고 둥근 형상에서 줄어듦
    • 이상적인 형상은 구형임
  • 정밀도가 필요할 때

    • 테스트 출력으로 딱 맞는 CAD 치수를 찾는 goldilocks approach는 높은 반복성 덕분에 매우 좋은 공차를 낼 수 있음
    • 단점은 특정 프린터와 슬라이서 설정에 강하게 의존해 portable design이 약해진다는 점임
    • 정밀하게 만들 수 없다면 조정 가능하게 만드는 것이 대안임
    • oblong hole은 나사로 위치를 밀어 맞출 수 있지만 1mm 미만 미세 조정은 어려움
    • opposing screw는 높이를 작게 조정하기 좋지만 양쪽 접근이 필요하고 조정이 번거로움
    • spring 또는 flexure가 맞서는 grub screw는 양방향 조정이 쉬움
    • spring steel shim은 드물게 바꾸는 작은 조정에 적합하지만, 3D 출력 shim은 작은 높이에서 표면 결함이 정확도에 악영향을 줄 수 있음
  • engineering fit과 압입

    • ISO 286 같은 전통적 fit 체계는 특정 공차로 가공할 수 있을 때 유용하지만, 3D 프린팅에서는 대부분 그대로 쓰기 어려움
    • 정말 타이트한 fit이 필요하면 구멍을 reaming해 H6 fit 같은 후가공을 할 수 있지만, 꼭 필요한 곳이 아니면 노력이 큼
    • clearance fit은 두 부품 사이 간격을 프린터 공차의 2배보다 크게 잡으면 됨
    • interference fit은 공차에 따라 조립력이 크게 변해, 최악의 경우 조인트가 깨질 수 있음
    • 압입용 구멍에는 원형보다 육각 또는 사각 구멍이 더 관대함
    • 원형은 둘레를 늘려야 해서 재료 파손으로 이어지기 쉽지만, 육각·사각은 굽힘으로 큰 지름을 수용할 수 있고 seam도 코너에 숨길 수 있음
    • 큰 지름의 압입에는 crush rib을 사용할 수 있음
    • 조립 중 rib이 소성 변형되며 공차를 흡수하고, 전체 접촉면보다 작은 rib을 변형하는 편이 힘을 제한하기 쉬움
    • crush rib은 한 번 조립하는 press fit에 적합하며 재조립 시 체결력이 크게 줄어듦
    • 예시 수치로는 crush rib을 0.2mm 작게, bore를 0.4mm 크게 잡아 좋은 결과를 얻음
    • 반복 조립이 필요한 press fit에는 탄성 변형을 쓰는 grip fin이 더 적합함

출력 공정 최적화

  • support material 줄이기

    • support material은 공중에 뜬 형상을 출력하기 위한 scaffolding이지만 제거 후가공, 추가 재료 낭비, supported surface의 공차·표면 품질 저하를 동반함
    • 설계 단계에서 support가 필요 없도록 형상을 바꾸는 것이 우선임
    • 출력 방향은 강도뿐 아니라 support 필요성에도 큰 영향을 줌
    • 강도에 유리한 방향과 support를 피하는 방향이 충돌할 수 있음
    • 직사각형 형상을 프린터 축에 맞추지 않고 45° 정도 기울여 출력하면 긴 bridge나 support를 피하고 표면 품질을 더 균일하게 만들 수 있음
    • 이 경우 출력 안정성이 떨어질 수 있어 brim이 필요할 수 있음
  • 부품 분할과 내부 오버행

    • 어떤 방향에서도 support를 피할 수 없다면 부품을 여러 조각으로 나누는 방법을 검토할 수 있음
    • 이는 support 후가공과 조립 복잡도 사이의 절충임
    • 일회성 또는 소량 설계에서는 약간 복잡한 조립이 정당화될 수 있음
    • upside-down counterbore는 가운데 구멍 때문에 bridge가 바로 작동하지 않고, support를 넣으면 구멍 내부에서 제거하기 어려움
    • 희생 레이어는 구멍 전체를 한 레이어 두께의 bridge로 막아 위쪽 작은 구멍을 지지하게 한 뒤, 출력 후 칼이나 드릴로 제거하는 방식임
    • overhanging counterbore trick은 후가공 없이 counterbore를 처리하는 방법임
      • counterbore를 원하는 깊이까지 자름
      • 한 레이어에서 inner hole을 피해 좌우 bridge만 남김
      • 다음 레이어에서 직각 방향 bridge만 남김
      • 이후 작은 bridge 위에 원형 inner hole을 출력함
    • 지름이 커지면 이 방식에도 한계가 있음
  • 순차 브리징과 표면적 최소화

    • bridge 위에 또 다른 bridge를 올리는 sequential bridging은 support 없이 복잡한 형상을 만들 수 있음
    • OpenFlexure microscope는 이 방식을 광범위하게 쓰는 예시임
    • 큰 bridge는 바로 위 구조물을 올리기보다 몇 레이어 쌓아 강도와 냉각 시간을 확보하는 것이 좋음
    • 전통적 재료 절약을 위해 cutout을 넣는 방식은 3D 프린팅에서는 오히려 재료 사용량과 출력 시간을 늘릴 수 있음
    • 재료가 표면에 많이 쓰이기 때문에, 표면적을 줄이고 두껍고 부피 있는 형상을 선호해야 함
  • 베드 접착과 대량 출력

    • 대량 출력에서는 베드와 닿는 면적을 조절해야 함
    • 너무 작으면 출력 중 부품이 넘어질 수 있고, 너무 크면 출력 후 떼어내기 어려움
    • brim 대신 CAD 형상에 mouse ear를 직접 넣을 수 있음
    • mouse ear는 베드 접착 문제를 줄이고, 슬라이서에서 나중에 추가하지 않아도 되며, 후가공 부담도 줄일 수 있음

기능 통합

  • 기능 통합의 장단점

    • 기능 통합은 한 부품이 가능한 많은 기능을 수행하게 해 부품 수를 줄이는 설계 방식임
    • 3D 프린팅은 형상 복잡도가 제조 비용에 크게 반영되지 않아 기능 통합에 잘 맞음
    • 모든 기능을 한 부품에 넣으면 출력 방향 선택이 제한되고, 강도·공차·형상 자유도가 나빠질 수 있음
    • 반복 설계 때 큰 모델을 매번 다시 출력해야 하고, 고장 시 더 큰 부품을 교체해야 함
    • 프로토타이핑이나 수리를 쉽게 하려고 일부 기능을 별도 부품으로 남기는 선택도 가능함
  • zip tie channel과 flexure

    • 부품 표면에 작은 zip tie channel을 추가하면 케이블이나 와이어를 고정할 수 있음
    • zip tie channel은 출력 방향을 고려해야 하며, perimeter가 channel을 bridge하지 않는 방향이면 약해지고 bridge가 찢겨 나갈 수 있음
    • flexure는 부품의 탄성을 이용해 움직임을 통합하는 설계 요소임
    • 얇은 형상이 필요해 3D 프린팅에 적합함
    • 큰 움직임에는 두꺼운 flexure보다 얇은 flexure가 유리하고, 힘은 여러 얇은 flexure를 병렬로 쌓아 키울 수 있음
    • 이동거리는 길이를 늘리거나 뱀 모양으로 만들어 늘릴 수 있음
    • flexure는 사용 중 소성 변형되지 않게 설계해야 하며, hard stop으로 과도한 움직임과 파손을 막아야 함
  • clip, living hinge, print-in-place

    • clip은 추가 체결 부품 없이 부품을 결합할 수 있어 3D 출력 설계에서도 자주 쓰임
    • clip 설계에서는 이동 거리, 유지력, 형상 크기, 출력 방향의 균형이 중요함
    • 레이어를 가로질러 만들어진 clip은 매우 약할 수 있음
    • 움직임을 작게 하고 힘으로 유지하는 쪽이 더 나은 경우가 많음
    • form-locking clip은 screwdriver 같은 도구로 해제할 수 있는 공간을 제공해야 함
    • living hinge는 별도 축 회전이 아니라 플라스틱의 변형으로 움직이는 힌지임
    • 얇은 플라스틱 sheet가 안정적으로 변형되려면 힌지가 출력 베드에 평평하게 놓여야 하며, bridge layer로 만든 living hinge는 성능이 좋지 않음
    • print-in-place mechanism은 서로 맞물린 여러 부품을 조립 없이 한 번에 출력하는 방식임
    • 출력 후 조립이 불가능한 조인트도 만들 수 있지만, 설계 복잡도가 크고 방향이 고정되어 support 회피와 강도 설계가 어려움
    • 떠 있는 형상을 지지하려고 break-away surface를 넣을 수 있음
    • 맞물리는 feature 사이 clearance는 0.3mm 정도면 현재 대부분 프린터가 출력할 수 있을 것으로 보임

플라스틱을 넘어서는 기계 요소

  • 나사 체결

    • 3D 출력 플라스틱 부품의 나사 체결은 금속 체결과 다르게 동작함
    • 금속-금속 조인트에서는 나사 신장으로 preload가 생기지만, 3D 출력 thermoplastic에서는 부품이 나사보다 훨씬 덜 단단해 플라스틱 압축이 preload의 대부분을 만듦
    • 필요한 preload에 도달하려 하면 출력 부품의 항복 강도에 빨리 닿아 변형될 수 있음
    • 정적 하중에는 충분한 경우가 많지만, 진동이나 충격 같은 동적 하중에는 screw locking이 필요할 수 있음
      • lock nut
      • threadlocking adhesive
    • 나사는 가능한 길게 설계하는 것이 좋음
    • 긴 나사는 부품이 인장보다 압축 preload를 받게 하기 쉽고, 과도하게 조이려면 더 많이 돌려야 하므로 실수로 overtighten할 가능성이 줄어듦
  • 출력 부품의 thread 선택

    • 출력 부품에 thread tap으로 나사산을 낼 수 있음
    • 이 방식은 빠른 설계와 낮은 재사용 조인트에 적합하지만, 플라스틱 나사산은 overtightening에 쉽게 망가지고 반복 조립에는 불리함
    • M8 이상 큰 thread는 CAD로 모델링해 출력할 수도 있지만 품질이 항상 좋지는 않음
    • rib thread forming은 crush rib 개념과 표준 나사를 결합함
    • 나사가 rib을 변형해 자체 thread를 만들며, 후가공 없는 낮은 재사용 thread에 적합함
    • heat-set threaded insert는 강하고 재사용 가능한 금속 thread를 부품에 넣는 방식임
    • 플라스틱 thread보다 강하고 overtightening에 쉽게 망가지지 않으며 반복 조립을 잘 견딤
    • 뒷면에서 나사를 넣는 구조에는 안정적으로 쓰기 어려울 수 있음
    • embedded nut은 표준 너트를 출력 부품에 끼워 넣는 저렴한 대안임
    • 긴 나사를 쓰는 through-joint에 잘 맞고, sideface cutout이나 backface hex pocket으로 넣을 수 있음
    • 조립 중 너트가 빠질 수 있으며, 출력 중간에 너트를 넣어 막아버릴 수도 있지만 출력과 조립 복잡도가 커짐
    • 나사산 강도는 대부분의 경우 설계 요구를 넘으며, 다른 요인이 더 중요하게 작용함
  • dowel pin과 embedded hardware

    • dowel pin은 전통적 기계 설계에서 부품 간 위치를 정확하고 반복적으로 잡는 표준 요소임
    • 3D 프린팅에서는 공차 때문에 그런 정확도가 덜 필요하고, pin fit을 만들기 위한 engineering fit도 어려워 사용 범위가 제한됨
    • 필요한 경우 육각 구멍, crush rib, 후가공이 대안이 될 수 있음
    • 하드웨어를 출력 중 삽입하는 방식은 다음 순서로 동작함
      • 설계에 부품이 들어갈 cavity를 남김
      • slicer에서 cavity 위 레이어 직전에 pause를 설정함
      • pause 시 하드웨어를 삽입함
      • 출력을 재개해 하드웨어를 내부에 가둠
    • 예시에는 transparent PETG sheet를 넣은 Modern Gridfinity Case, trapped fastener, magnet, metal mesh가 있음
    • embedded hardware는 추가 조인트나 체결 수단을 피할 수 있지만, 보통 파괴하지 않고 꺼내거나 교체하기 어렵다는 단점이 있음
  • fabric 위에 출력하기

    • fabric을 출력물에 통합하면 유연성이 있는 부품을 만들 수 있어 wearable이나 cosplay에 쓰임
    • 일반적인 방식은 출력 후 2~3 레이어쯤에서 pause하고 tulle fabric을 초기 레이어 위에 덮은 뒤 출력을 재개하는 것임
    • 새 레이어가 아래 레이어와 융합하면서 각 출력 조각이 fabric에 고정됨
    • 고체 출력 형상의 배치와 형상으로 결과물의 유연성을 조절할 수 있음

외관과 표면 설계

  • 복잡한 형상과 shadow line

    • 3D 프린팅에서는 복잡한 표면 형상을 추가해도 제조 비용이 크게 늘지 않으며, 설계 시간만 주요 부담이 됨
    • 오버행과 support 제약을 지키는 범위에서는 직선·직각 위주의 전통적 기능 부품 형상에 묶일 이유가 없음
    • 복잡하거나 유기적인 형상은 미관뿐 아니라 인체공학적 설계에도 유용함
    • 두 부품이 만나는 edge에는 shadow line을 만들 수 있음
    • 직접 맞닿은 면은 표면 결함 때문에 seam이 고르지 않게 보임
    • 일정한 큰 gap을 만들고 실제 기계적 접촉을 작은 lip 뒤에 숨기면 외관이 균일해짐
    • dust protection이 필요하면 안쪽 lip을 추가해 labyrinth seal처럼 만들 수 있음
    • lid와 box처럼 각도를 두고 맞물리는 부품에도 일정 offset과 내부 alignment rib을 사용해 shadow line을 만들 수 있음
  • surface texture와 text

    • 3D 프린팅의 vertical surface는 레이어 라인이 두드러짐
    • textured steel sheet 같은 특수 print bed는 바닥면 질감을 좋게 만들 수 있지만, 한 부품의 한 면에만 적용됨
    • 모든 면을 더 균일하게 보이게 하려면 부품을 print bed에 대해 대각선으로 회전할 수 있음
    • fuzzy skin은 각 layer perimeter에 불규칙성을 추가해 레이어 라인을 덜 두드러지게 만드는 기능임
    • 올바르게 조정하면 촉감도 좋아 grip과 handle에 많이 쓰임
    • 출력 부품에는 text나 symbol을 쉽게 넣을 수 있음
    • 큰 설계에서는 part number와 revision index를 출력해 혼동을 줄일 수 있음
    • text는 embossing보다 engraving이 더 깨끗하며, 글자 크기가 작아질수록 차이가 커짐
    • text는 출력면에 수직으로 배치하면 perimeter line의 일부로 출력되어 디테일이 가장 좋음
    • 대부분 프린터는 0.6mm 최소 stroke width, 0.5mm engraving depth의 text를 문제없이 출력할 수 있음

vase mode 설계

  • vase mode는 single perimeter line으로 hollow shell을 출력하며, 개별 레이어 대신 Z 높이를 천천히 올려 spiral로 필라멘트를 놓는 방식임
  • 장점은 다음과 같음
    • 출력 시간 100%를 압출에 사용함
    • 개별 레이어 seam이 없음
    • 프린터가 멈추지 않아 stringing 문제가 생기지 않음
    • 부품 형상을 표현하는 데 필요한 플라스틱이 적어 빠름
    • 필라멘트 사용량이 줄어 가벼운 부품을 만들 수 있음
  • 단점은 내부 지지가 없어 부품이 매우 불안정해진다는 것임
  • vase mode 부품 강도에는 표면 형상이 가장 중요함
    • 평평하거나 한 방향으로만 휘는 표면이 가장 약함
    • 복잡한 형상은 더 높은 강도를 보일 수 있음
  • beading pattern은 얇은 sheet-material 부품을 더 단단하게 만드는 패턴이며, vase mode 부품 강성 향상에 사용할 수 있음
  • vase mode를 프린터의 압출 경로를 정밀하게 제어하는 방식으로도 볼 수 있음
    • FPacheco의 stackable tray처럼 일반적인 vase mode 부품처럼 보이지 않는 형상도 만들 수 있음
    • vase mode의 100% 출력 시간 이점은 유지됨
    • 대량 생산할 부품에서는 영향이 클 수 있음

규칙을 적용하는 방식

  • 이 설계 규칙들은 좋은 기본값으로 사용할 수 있지만 법칙은 아님
  • 상황에 따라 다른 선택이 더 나을 수 있으며, 설계자는 하중, 공차, 출력성, 조립, 수리, 비용을 함께 보고 판단해야 함
  • 충분한 관심이 생기면 여러 사람이 규칙을 추가·수정할 수 있는 open-source book 형태로 발전시키는 구상도 있음

댓글과 토론

제가 본 자료 중에 손에 꼽을 만한 고급 정보가 정말 잘 담겨있는 것 같습니다. 이런 내용을 한국어로 볼 수 있다니.. 너무 기쁩니다.

나사같은 경우는, 안타깝게도 저는 초짜라서 주변에서 경험적으로 전해지는 방법을 쓰고 있는데, 나사 산을 따로 내진 않고 나사 직경보다 0.4mm정도 좁은 원통 기둥을 내고, 입구에 고각도 챔퍼를 짧게 주는 방식을 쓰고 있습니다. 혹시 이것에 대해서는 어떻게 생각하시나요?

가령 M3이라면 2.6mm홀에, 입구에 80°, 0.3mm길이 챔퍼를 주고 있습니다. SLA로는 기둥 벽 두께 2mm이상 주고 있고, FDM은 출력해주신 분 사양을 잘 모르지만 FDM에서도 가능했습니다.

기계적 높은 강도와 힘을 받는 부품은 아니고, 단순 고정형에 가깝지만 몇번 떨어뜨리고도 멀쩡한 것 보면 의외로 괜찮은 듯 했습니다.🤔

지속적인 분해결합이 필요한 부품이 아니라면 레이어 방향에 따라서 분리되는 이슈만 조심하면 단순 기둥에 스크류를 돌려 넣는것도 체감상 문제되지는 않는것 같습니다.

반복적인 분해결합이 필요한 경우 나사산 포함해서 프린트 하는 것 보다는 인서트를 넣는게 나은거 같구요.

의견 탭에서
"나사산을 프린트된 부품에 직접 내는 방법으로 나무 나사가 효과적임

나무 나사는 탭 없이도 자체적으로 나사산을 만들 수 있음
PETG로 프린팅하면 강도가 충분하지만, PLA는 층과 평행한 구멍에서 갈라질 수 있음"
요 부분에 공감하는 바입니다.

Hacker News 의견들
  • 훌륭한 글임. Thingiverse나 Printables에 올라오는 평균적인 부품 수준을 훨씬 넘지만, 좋은 부품들은 비슷한 아이디어를 따르게 됨
    마우스 이어, 압입 구멍, 불가능해 보이는 브리지를 만들기 위한 레이어별 단계적 정렬이 특히 좋음
    Fusion 360에서는 이 모든 것이 “plastics” 모드로 설계될 텐데, 그 모드는 부품이 출력되는지 금형으로 만들어지는지 전혀 신경 쓰지 않는다는 점이 흥미로움
    PCB에서는 엄격한 설계 규칙 검사를 봤고 판금 매크로도 봤지만, 표준 장비의 한계에 맞춰 설계를 제한하는 생산 인지 설계를 일반 기계 CAD에서 지원하는 사례는 아직 못 봄

    • 표준 장비의 가공 가능 범위에 맞춰 설계를 제한하는 CAD 엔진에 가까운 것을 작업 중임. 부품을 공구 기반 절삭만으로 모델링하는 방식임
      https://github.com/WillAdams/gcodepreview
      필요 도구는 https://pythonscad.org/이고, 지금까지 시도한 대부분을 구현할 수 있었음
      거의 어떤 목재 구조도 만들 수 있게 해줄 결구 모듈을 마무리 중이고, 금속도 크게 다르지 않을 듯함. 예전에 개념 증명으로 나사산 절삭 프로그램도 만들어 봄
    • 현재로서는 그런 CAD 엔진을 아는 범위에서는 없음. 특정 출력 기법을 부품의 특정 형상에 적용할 수 있도록 슬라이싱을 통합한 FreeCAD 작업대 같은 것을 고민 중임
      아직 실제 모습이나 작업 흐름에 어떻게 들어갈지는 확실하지 않음
    • CAD에는 설계 엔지니어가 제조 가능성을 검토하는 데 도움이 되는 기능이 꽤 있음. Fusion에서는 Inspect 패널을 보면 금형에서 빠지기 위한 드래프트가 부족한 영역이나 밀링 공구로 접근하기 어렵거나 불가능한 영역을 강조해 주는 분석 도구가 있음
      적절한 확장을 쓰면 사출 성형 부품에 대해 EDA식 설계 규칙도 설정 가능함
      사출 성형 설계 분석 전용 소프트웨어도 여러 개 있지만, 가격은 취미 사용자에게는 한참 멀다
    • 이 분야를 살펴봤는데, 기계 설계자 관점에서 과연 바람직한 목표인지도 확신이 안 듦. 이점은 구멍 크기가 원하는 나사산에 맞는지, 판금 부품에서 구멍이 절곡선에 너무 가깝지 않은지 같은 작은 요소에서 주로 나옴
      하지만 3D 부품의 최종 설계는 너무 비결정적이고 제조 방식도 매우 다양하고 고유해서, 이득보다 문제를 더 많이 만들 수도 있음
    • 설계 과정 후반에 쓸 수 있는 DFM 도구는 Fictiv나 Protolabs 같은 곳을 통해 있음. 다만 “기술적으로는 가공 가능”하지만 실제로는 훨씬 비싼 형상이 많음
      엔지니어는 부품이 어떻게 만들어지는지 이해하고, 모르면 기계공과 이야기하며, 설계 복잡도와 엔지니어링 요구 사이에서 절충해야 함
  • 놀라운 글임. 다시 말하지만 정말 놀라움
    7년 동안 3D 프린터를 만져 왔고 팬데믹 때는 집에서 직접 조립도 했음. 여기 설명된 일부 주제는 실습으로 이미 알아냈고, 3D 프린팅 경험이 있는 사람들도 대부분 그렇게 배웠을 것임
    그런데 그 모든 것을 이 수준으로 연구하고 정리하고 설명해 둔 건 정말 대단함. 게다가 아직 배워야 할 주제도 많이 다뤄져 있음

  • 환상적인 글임. 몇 년에 걸쳐 익힌 여러 요령을 깔끔하게 요약해 줌
    출력물의 재료를 줄이는 또 다른 유용한 요령은 표면을 아예 출력하지 않는 것임. 출력물의 질량 대부분은 외피에 집중되므로, 위아래 표면이 부품 기능에 중요하지 않다면 둘 중 하나를 제거할 수 있음
    슬라이서는 그 표면들이 둘러싼 부피를 여전히 채움 구조로 채울 수 있고, 직선형·육각형·삼각형 같은 평면 채움 구조를 쓰면 결과물도 꽤 보기 좋음. 특히 대체로 평평한 부품에서 잘 먹힘
    이런 방식으로 출력한 TPU 부품 두 개를 매일 쓰고 있음: 휴대폰 케이스 [0]와 헤드폰용 압박 완화 스트랩 [1]
    [0] https://www.printables.com/model/615154-google-pixel-8-case
    [1] https://www.printables.com/model/577575-hifiman-comfort-stra...

  • 지난 몇 년 동안 HN에 올라온 3D 프린팅 글 중 최고임
    여기서 설명한 많은 설계 고려 사항은 유연 메커니즘으로 분류됨
    https://en.wikipedia.org/wiki/Compliant_mechanism
    https://www.youtube.com/results?search_query=compliant+mecha...

  • 훌륭한 팁들임. Bambu가 등장한 뒤로 슬라이서 같은 도구와 CoreXY 계열 프린터들이 모두 사용성을 끌어올리면서 전체 분야가 그냥 출력하면 되는 분위기로 가고 있다는 점도 도움 됨
    덕분에 도입, 모델 제작, 생태계 전반에 좋은 영향을 주고 있음
    Fusion 360으로 부품을 많이 설계하고 거의 10년째 출력 중인데도 여기서 좋은 팁을 몇 가지 얻음
    여기에 꼭 추가하고 싶은 중요한 항목은 필라멘트 선택임. PC-CF, 즉 탄소섬유 보강 폴리카보네이트 같은 현대적 필라멘트는 실제 출력물과 부품에 믿기 어려울 정도로 다재다능함
    고급 소비자용 프린터라면 약 300°C 가능한 프린트 헤드와 경화강 노즐이 필요하긴 해도 비교적 쉽게 출력 가능함. 표준 PLA 밖에도 다양한 필라멘트가 있고, 출력 비용이 10배 비싸지 않으면서도 여러 면에서 빛남
    슬라이서도 출력 품질, 속도, 부품 강도를 개선하는 작업이 많이 들어가면서 꽤 좋아지고 있음
    cnckitchen이 여러 번 언급된 것도 반가움. 3D 프린팅의 새 흐름과 편향 적은 리뷰를 진지하게 따라가고 배우기 좋은 훌륭한 자료임
    Printables와 Thingiverse의 모델 품질도 정말 좋아지고 있고, 외부 부품 없이 다운로드해서 출력만 하면 완전히 작동하는 장치, 즉 제자리 출력과 단일 출력 부품이 늘어나는 모습이 고무적임
    생성형 AI가 객체 모델링과 CAD 원리를 이해하게 되면, 파라미터화 모델이 더 대중화되는 것처럼 기능성 부품 모델도 폭발적으로 늘어날 것 같음

    • Creality Ender 5 Plus에서 Bambu로 옮겼고, Bambu가 최근 좀 자만하는 모습을 보이긴 해도 하드웨어는 여전히 마음에 듦
      써 보니 Ender에서는 늘 프린터를 손보고만 있었고 실제로는 거의 출력하지 않았다는 걸 깨달음
      Bambu에서는 원하는 품질 수준을 바꾸는 것 외에는 수동 설정이 필요 없었음. 한 번은 아주 긴 브리지에서 기본 설정은 괜찮았지만 더 눌러 붙게 만들고 싶어서 몇 차례 테스트하며 미세 조정한 정도였음
  • “재사용 빈도가 낮은 결합부를 빠르게 설계하려면 출력 부품에 탭으로 나사산을 내라”는 부분에 대해, 목재용 나사가 잘 맞는다는 걸 알게 됨. 탭을 쓰지 않아도 목재용 나사가 스스로 나사산을 만들 수 있음
    다만 부품에 응력이 좀 걸림. 주로 PETG로 출력하는데 이 정도는 충분히 강하지만, PLA는 구멍이 레이어와 평행하면 갈라질 수 있음
    “나사산 인서트는 뒤쪽에서 나사를 넣을 때 안정적으로 쓰기 어렵다”는 한계에는 가끔 쓰는 요령이 있음
    인서트를 넣기 전에 뒤쪽에서 나사를 먼저 끼우고, 튀어나온 나사에 인서트를 돌려 끼운 다음, 납땜 인두로 인서트와 나사를 함께 플라스틱에 삽입함
    나사가 구멍을 채우고 있으므로 녹은 플라스틱이 구멍을 막지 못함. 대신 녹은 플라스틱이 나사 주변에 형성되어 Nyloc 너트처럼 작동함

    • 탭이 없으면 부품에 빠르게 열성형 나사산을 만들 수 있음. M3~M4 나사 기준으로 보통 0.2~0.4mm 작게 구멍을 출력해 약간 힘을 줘야 들어가게 한 뒤, 무선 드릴로 나사를 빠르게 끝까지 박음
      마찰열이 플라스틱을 녹여 나사 주변에 형상을 만들 만큼 충분해야 함. 식을 때까지 기다렸다가 나사를 빼면 됨
    • 경험상 작은 기계 나사, 예를 들어 M3도 적절한 크기의 구멍에는 스스로 나사산을 만들 수 있고, 몇 번 정도 재조립하는 용도로는 충분히 잘 작동함
      다만 휴대성을 목표로 설계하는 일은 드물고, 테스트 출력 몇 개로 내 프린터에 맞는 구멍 크기를 찾는 편임
    • 플라스틱 절삭용 나사도 이런 용도에 아주 좋음. 나사산 피치가 더 크고 간격이 넓지만 목재용 나사만큼 깊지는 않음
      Small Parts나 Amazon에서는 1000개 미만 소량 선택지가 빈약할 수 있는데, 작년부터 Bambu가 합리적인 가격의 소포장을 팔기 시작함
  • HN 커뮤니티에서 Bambu Labs가 욕을 많이 먹는 건 알지만, 내 Bambu Labs P1S는 정말 충격적일 정도로 좋음. 쓰기 너무 쉬워서 예전 Ender 때보다 100배는 더 많이 출력함
    덕분에 Fusion 360도 배우게 됐고, 바로 지금도 아이들이 색칠할 드로이드를 출력 중임

    • Ender는 그다지 좋은 경험이 아니었음. 당시에는 가격대가 괜찮았다는 건 이해하지만, 내 경험과 온라인에서 본 바로는 상당히 까다로웠음
      프린터 자체를 만지는 걸 좋아하는 사람들은 좋아하고 추천했음. 장비를 안정적으로 작동시키는 일이 3D 프린팅이라는 별도의 기술이 되었기 때문임. 글에서 다룬 설계 고려사항과는 다른 문제임
      Bambu는 훨씬 낫다고 들었음. 나는 Ender 시대의 Raise3D E2를 쓰는데 매우 안정적임. 가격은 한 단계 높지만 손볼 일이 없고, 새 제품일 때도 지금도 그냥 작동함
    • 여기서 Bambu와 Ender만 비교하는 독자가 많은 것 같은데, 선택지는 그것뿐이 아님. 비슷한 기능과 신뢰성을 갖고 집으로 연락하지 않는 프린터를 원한다면 Prusa를 볼 만함
      Bambu가 소프트웨어의 상당 부분을 포크한 곳이고, 최근 업데이트 이후 사용도 똑같이 쉬우며, 매우 안정적이고 정비도 쉬움
      최근에는 미국 내 제조도 추가했고, 미국산 Core ONE도 살 수 있는 것으로 보임. 관세를 고려하면 곧 비슷한 Bambu보다 더 싸질 수도 있음
      3D 프린팅 글마다 Prusa 팬보이가 나온다고 불평할 사람도 있겠지만, 그 회사가 그런 애착을 만드는 데는 이유가 있음. MK4(S)로 수천 시간 출력했지만 문제가 전혀 없었고, 다음 신형 모델로 바꾸는 업그레이드 키트를 제공하는 점도 꽤 훌륭함
    • 정확히 그 모델의 3D 프린터를 가진 사람 둘을 아는데, 두 대 모두 어떤 고장 때문에 몇 주씩 자주 멈춰 있음. 소유자가 진단·수리할 기술이 없거나, 독점 교체 부품의 터무니없는 가격을 내기 싫어하거나, 둘 다이기 때문임
      반면 내 Ender 5는 늘 계속 돌아가고, Amazon에서 몇 센트에서 많아야 20달러 정도 하는 교체 부품을 기다리는 하루 이틀 이상 멈춘 적이 없음
      Bambu가 불안정한 프린터를 만든다고 생각하지는 않음. 오히려 전체적으로 Creality보다 훨씬 더 신뢰성 높은 훌륭한 기계임
      다만 스포츠카 같음. 빠르고 화려한 것을 원하고 문제를 돈으로 해결하려는 사람, 또는 트랙에 가져가 직접 정비해도 괜찮은 기술자형 사람을 겨냥한 제품에 가까움
      문제는 Bambu 프린터가 초보자에게 좋다고 홍보되고 추천된다는 점임. 비기술자가 3D 프린팅에 입문하기 쉽게 해 주는 건 맞지만, 결국 대부분은 허용되는 커스터마이징 부족이나 문제가 생겼을 때 진단·수리에 필요한 시간·노력·비용에 실망하게 될 것 같음
    • Bambu Lab은 좋은 프린터를 만들고, X1C로 소비자가 살 만한 가격의 클릭 앤 프린트 3D 프린터를 처음 제안한 회사 중 하나였음
      문제는 지금 생태계를 닫아 가고 있고, 앞으로 어디로 갈지 알 수 없다는 점임
      또 최신 프린터와 오래된 Ender를 비교하는 건 매우 불공정함. 비슷한 현재 기술끼리 비교해야 함
    • 왜 싫어하는지 놓쳤음. 이유가 뭐임?
  • 약 10년 전 첫 Taz 기계들로 3D 프린팅을 시작했는데, 그 경험 때문에 완전히 지쳐 버렸음
    한 달 전으로 건너뛰어 Prusa Core One을 샀고 마음에 들어서 XL 5-toolhead까지 샀음. “그냥 작동하는” 프린터를 쓰는 게 정말 재미있음
    지난주에는 6일짜리 출력을 끝냈음: https://www.reddit.com/r/prusa3d/comments/1kb3p0w/xl_full_be...

  • 놀라운 글이고 많이 배움. 보충 읽을거리로는 J. E. Gordon의 Structures가 아주 좋다고 봄
    이런 작업에 필요한 기계 설계 개념을 많이 이해하는 데 도움이 됐음
    [0]: https://archive.org/details/StructuresOrWhyThingsDontFallDow...

  • 예전에는 날카로운 모서리에 훨씬 더 조심해야 했음
    날카로운 모서리로 출력하면 핫엔드가 멈출 때까지 감속했다가 새 방향으로 가속해야 함. 이 시간 동안 노즐에서 플라스틱이 조금 더 새어 나옴
    둥근 모서리로 만들면 이 전환을 부드럽게 할 수 있음
    요즘 프린터에는 보통 압력 선행 제어가 있어서 이제는 중요도가 훨씬 낮아짐

    • 압력 선행 제어는 적어도 10년 전부터 있었고 많은 사람이 써 왔음
      최신 저가 프린터에서 가장 큰 이득은 입력 성형과 공진 튜닝이라고 봄. 기계적으로 덜 튼튼한 장비에서도 더 높은 가속과 속도를 쓸 수 있게 해 줬기 때문임
      그다음은 슬라이서 선택지를 줄이고 브랜드 필라멘트 사용을 강제하는 점임. 선택지를 없애면 반복 가능한 슬라이서 프로필을 만들기 쉬워짐. 나는 거의 10년 동안 Atomic 필라멘트와 같은 기본 슬라이서 프로필을 써 왔음
      내 작업장에서는 여전히 압력 선행 제어나 입력 성형을 쓰지 않음. 대신 매우 튼튼한 프레임의 기계를 만듦
      내가 본 바로는 프레임과 구동부가 튼튼할수록 입력 성형의 이득은 줄어드는 듯함. 현재 프린터는 약 10년 됐지만 여전히 견고함
      리드스크루 구동이라 CoreXY만큼 빠르진 않지만 출력 품질은 좋고 320mm 정육면체 영역을 갖고 있음. 압력 선행 제어나 다른 마법 같은 기능 없이도 PLA를 100mm/s로 출력하고 이동은 150~200mm/s로 하며, 압출기도 꽤 무거운 편임