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2024년 12월 4일 (수) 06:40 판

Portable Compact FDM 3D Printer
과즙미애

학교	서울시립대학교
학과	기계정보공학과
학번 및 성명	20194300**	고**^[1]
	20194300**	유**
	20194300**	이**
	20194300**	정 *

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 휴대용 소형 FDM 3D 프린터

영문 : Portable Compact FDM 3D Printer

과제 팀명

과즙미애

지도교수

윤민호 교수님

개발기간

2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 기계정보공학부·과 20194300** 고**(팀장)

서울시립대학교 기계정보공학부·과 20194300** 유**

서울시립대학교 기계정보공학부·과 20194300** 이**

서울시립대학교 기계정보공학부·과 20194300** 정*

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

이 개발 과제의 목표는 휴대용 FDM 방식 3D 프린터를 설계하고 제작하는 것이다. 기존 3D 프린터의 3축 직선 운동 중 1축 또는 2축을 회전운동으로 변경하여 기구부를 단순화하고 소형화한다. 이를 통해 가방에 넣을 수 있을 정도로 크기를 줄인다. 기구 설계와 함께 G-code를 펌웨어에서 변환 및 최적화하여 새로운 좌표계에서도 적층 품질을 유지하면서 출력 시간을 단축한다. Flutter 프레임워크로 모바일 애플리케이션을 개발하고, 블루투스 통신을 통해 스마트폰으로 3D 프린터를 원격 제어 및 실시간 모니터링할 수 있게 한다. 이러한 하드웨어와 소프트웨어의 통합을 통해 전쟁, 재난 상황, 우주와 같은 특수한 환경에서도 필요한 부품을 신속하게 제작할 수 있는 휴대성 높은 3D 프린터를 개발한다.

개발 과제의 배경 및 효과

개발 배경

다품종 소량생산이 시장에 보편화됨에 따라 CNC가공, 레이저컷팅, 3D프린팅을 활용한 가공방식이 널리 활용되고 있다. 그 중에서도 3D프린팅은 복잡한 형상을 제작할 수 있으며 제작 단가가 저렴해 다양한 산업에서 급부상 중이다. 현재 로보틱스 연구실에서 출전하는 ‘자율주행 로봇레이스’에서 사용하는 ERP-42 플랫폼에도 3D프린팅으로 가공한 부품들이 사용되고 있다. 이 부품들은 하중을 많이 받지 않는 구조물로 쓰이고 있으나, 사고 등으로 인해 파손될 위험이 존재한다. PLA와 같은 플라스틱 소재는 금속과 달리 재가공이 어렵다. 따라서 3D프린팅으로 가공한 부품이 파손되거나 변형될 시 다시 출력하는 것 외에는 해결 방안이 없다. 하지만 3D프린터가 현장에 없다면 부품을 출력하고 운송하기 위해 오랜 시간과 많은 비용이 소요되는 문제가 있다.

기대 효과

본 팀은 휴대가 가능한 FDM방식의 3D프린터를 제작함으로써 개발 배경에 상기된 문제를 해결하고자 한다. 시중에도 휴대용 3D 프린터가 존재하지만, 그 크기가 커서 큰 수트 케이스에 담아 운반해야 할 정도로 휴대성이 떨어진다(그림 1). 이는 3D 프린터의 3축이 모두 직선 운동을 하는 액추에이터를 사용해야 하는 구조적 한계에서 비롯된다. 따라서 3축 중의 1축 혹은 2축을 직선운동에서 회전운동으로 바꾼다면 그 구조가 단순해져 더욱 소형화할 수 있다. 이를 통해 3D프린터를 가방에 넣을 수 있을 만큼 소형화한다면 어디든 가지고 다닐 수 있을 만큼 휴대성이 높아질 것이다. 이러한 목표를 달성한 제품이 개발된다면 일반적인 환경뿐만 아니라 우주, 재난 상황, 전쟁과 같은 짐을 많이 챙길 수 없는 상황에서도 활용될 수 있다. 3D프린팅의 시장이 커지고 활용도가 높아지는 현재, 휴대성을 높인 3D프린터는 충분한 경쟁력을 가질 수 있을 것이다.

휴대 가능한 3D 프린터

개발 과제의 목표 및 내용

개발 목표

소형화
3D 프린터를 일반적인 백팩에 들어갈 수 있을 정도로 소형화하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 기존 FDM 방식 3D 프린터의 3축 직선운동 중 x축과 y축을 회전운동으로 변경하여 메커니즘을 단순화한다. 또한, 모듈화 및 가변성을 통해 기구를 접거나 분리할 수 있도록 설계하여 보관 및 이동 시 크기를 최소화한다. 전자부품(SMPS, 아두이노 등)은 소형화가 어려우므로 제품 크기 산정에서 제외한다.
G-code 해석 및 최적화
기존 G-code를 그대로 사용하는 대신 펌웨어 단계에서 G-code를 분석하고 변환하여 소형화된 프린터의 새로운 메커니즘에 맞는 최적화된 명령을 생성한다. 특히 직교좌표계를 원통좌표계로 변환하여 이동 경로를 재구성하고, 노즐 이동을 최소화하여 출력 정밀도와 속도를 향상시킨다. 또한, 모터의 가속도와 속도를 최적화하여 출력 품질을 유지하면서도 출력 시간을 단축한다.
사용자 친화적인 모바일 애플리케이션 개발
3D 프린터의 휴대성을 강조하기 위해 스마트폰 애플리케이션을 통해 프린터를 제어할 수 있도록 한다. PC나 고가의 제어 보드 사용을 배제하고, Flutter 프레임워크를 사용해 iOS와 Android에서 모두 동작 가능한 앱을 구현한다. 블루투스 기반의 무선 통신을 사용하여 인터넷 연결이 어려운 환경에서도 실시간으로 프린터를 제어하고 모니터링할 수 있도록 설계한다.

개발 내용

소형화
소형화를 위해 기존 3D 프린터의 3축 직선운동 중 X, Y축을 회전운동으로 변경하는 방식을 도입한다.
첫 번째 후보로 5-bar 메커니즘을 활용하여 두 축 모두 회전운동으로 변환하며, 이는 두 개의 모터와 다섯개의 링크만으로 간단히 제작 가능하다. 이 방식은 제작 비용이 낮고 제품 크기를 크게 줄일 수 있는 장점이 있지만, 링크의 유격과 무게로 인한 처짐 문제로 출력 품질에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 경량 3D펜을 사용하여 이러한 문제를 보완한다.

시스템 개요도

소형화 :

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용

이동 ↑ 팀장

[team_leader-1] 이동 ↑ 팀장

[1]

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 #'''사용자 친화적인 모바일 애플리케이션 개발''' <br> 3D 프린터의 휴대성을 강조하기 위해 스마트폰 애플리케이션을 통해 프린터를 제어할 수 있도록 한다. PC나 고가의 제어 보드 사용을 배제하고, Flutter 프레임워크를 사용해 iOS와 Android에서 모두 동작 가능한 앱을 구현한다. 블루투스 기반의 무선 통신을 사용하여 인터넷 연결이 어려운 환경에서도 실시간으로 프린터를 제어하고 모니터링할 수 있도록 설계한다.
 *'''개발 내용'''
-#'''소형화''' <br> 소형화를 위해 기존 3D 프린터의 3축 직선운동 중 X, Y축을 회전운동으로 변경하는 방식을 도입한다. <br>첫 번째 후보로 5-bar 메커니즘을 활용하여 두 축 모두 회전운동으로 변환하며, 이는 두 개의 모터와 다섯개의 링크만으로 간단히 제작 가능하다. 이 방식은 제작 비용이 낮고 제품 크기를 크게 줄일 수 있는 장점이 있지만, 링크의 유격과 무게로 인한 처짐 문제로 출력 품질에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 경량 3D펜을 사용하여 이러한 문제를 보완한다.
+#'''소형화''' <br> 소형화를 위해 기존 3D 프린터의 3축 직선운동 중 X, Y축을 회전운동으로 변경하는 방식을 도입한다. <br>첫 번째 후보로 5-bar 메커니즘을 활용하여 두 축 모두 회전운동으로 변환하며, 이는 두 개의 모터와 다섯개의 링크만으로 간단히 제작 가능하다. 이 방식은 제작 비용이 낮고 제품 크기를 크게 줄일 수 있는 장점이 있지만, 링크의 유격과 무게로 인한 처짐 문제로 출력 품질에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 경량 3D펜을 사용하여 이러한 문제를 보완한다.<br>[[파일:시스템개요도.png|600픽셀|섬네일|가운데|시스템 개요도]]
 #'''소형화''' :