"5조-과즙미애"의 두 판 사이의 차이

2024년 12월 9일 (월) 01:30 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

1. 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.
2. 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.
3. 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

1. 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.
   
   

   5-bar 메커니즘
   
   두 번째 후보는 타워크레인과 유사하게 한 개의 회전운동과 한 개의 직선운동을 결합한 방식으로, 기존 G-code를 원통좌표계로 변환하여 대응 가능하며, 구조적으로 견고하여 무거운 익스트루더를 사용해도 변형이 적다. 단, 구조가 복잡하여 소형화 시 접을 수 있도록 설계가 필요하다. 또한, 두 방식 모두 기구의 모듈화를 통해 보관 및 운반 시 각 부품을 접거나 분리하여 크기를 더욱 줄이고 유지보수성을 높인다.
   
   

   타워크레인
2. G-code 해석 및 최적화
   소형화된 프린터의 새로운 메커니즘에 맞게 G-code를 최적화한다. 직교좌표계를 원통좌표계로 변환하여 이동 경로를 재구성하고, 펌웨어 단계에서 G-code를 분석하여 이동을 최소화하고 출력 순서를 재배열함으로써 출력 정밀도를 유지한다. 특히 펌웨어는 G-code의 속도 파라미터와 모터 가속도를 기반으로 명령을 최적화하여 출력 품질에 영향을 주지 않으면서도 출력 시간을 단축한다. 또한, 이동 경로를 단순화하고 불필요한 이동을 제거하여 소형화된 프린터의 물리적 제약을 극복한다.
3. 모바일 애플리케이션 개발
   Flutter를 활용하여 iOS와 Android에서 모두 동작 가능한 모바일 애플리케이션을 개발하며, 3D 프린터의 원격 제어와 실시간 모니터링을 주요 기능으로 포함한다. 사용자는 앱을 통해 프린터를 시작, 정지, 일시 중지할 수 있으며, 3D 모델 파일을 업로드하고 관리할 수 있다. 또한, 프린팅 속도와 온도 설정을 조정할 수 있는 기능을 제공한다. 블루투스 기반 통신을 채택하여 인터넷 연결 없이도 안정적으로 프린터와 연결할 수 있으며, 저전력 기술을 통해 에너지 효율성을 높인다. 이 앱은 휴대성이 강조된 제품 컨셉에 맞게 설계되어 사용자 경험을 극대화한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• State of art

1. 소형화 및 경량화
   현재 휴대용 FDM 3D 프린터 시장은 극도의 소형화와 경량화를 향해 빠르게 발전하고 있다. 최신 모델들은 기존 데스크톱 버전에 비해 크기와 무게를 50-70%가량 줄이는데 성공했다[5][8].
   - 크기: 일부 선도적인 모델들은 접었을 때 노트북 크기(약 30x20x5cm) 수준으로 소형화되었다.
   - 무게: 가장 가벼운 모델은 900g에서 1.2kg 사이로, 일반적인 노트북과 비슷한 무게를 달성했다.
   - 휴대성: 대부분의 모델이 전용 케이스나 백팩과 함께 제공되어 이동성을 극대화하고 있다.
2. 배터리 구동 및 전력 효율성
   배터리 기술의 발전과 함께, 휴대용 3D 프린터의 전력 효율성도 크게 향상되었다[5][7].
   - 배터리 수명: 최신 모델들은 한 번의 충전으로 4-6시간의 연속 프린팅이 가능하다.
   - 전력 효율성: 저전력 모터와 최적화된 발열 관리 시스템을 통해 전력 소비를 20-30% 줄이는데 성공했다.
   - 급속 충전: 일부 모델은 USB-C PD(Power Delivery) 기술을 채택하여 1시간 이내에 80% 이상 충전이 가능하다.
   - 대체 전원: 태양광 패널이나 보조 배터리를 통한 충전 옵션을 제공하여 장기간 야외 사용을 지원한다.
3. 내구성 및 강건성 향상
   극한 환경에서의 사용을 고려한 설계가 강화되고 있다[5][8].
   - 내충격성: 일부 선도적 모델들은 MIL-STD-810G 군사 규격을 만족시키는 수준의 내충격성을 갖추고 있다.
   - 방수/방진: IP65 혹은 그 이상의 방수/방진 등급을 획득한 모델들이 등장하고 있다.
   - 내열성: -20°C에서 50°C 사이의 극단적인 온도에서도 안정적으로 작동할 수 있는 모델들이 개발되었다.
4. 스마트폰 연동 및 원격 제어
   IoT 기술의 발전과 함께, 휴대용 3D 프린터의 스마트 기능도 크게 강화되고 있다[4][5].
   - 무선 연결: 대부분의 모델이 Wi-Fi와 Bluetooth 5.0 이상을 지원하여 안정적인 무선 연결을 제공한다.
   - 클라우드 통합: 클라우드 기반의 모델 라이브러리와 연동하여 언제 어디서나 프린팅 모델에 접근할 수 있다.
   - 실시간 모니터링: HD 카메라와 AI 분석을 통해 프린팅 과정을 실시간으로 모니터링하고 오류를 감지한다.
   - 음성 제어: 일부 고급 모델은 음성 인식 기능을 탑재하여 핸즈프리 작동을 지원한다.
5. 다양한 소재 지원
   휴대용이라는 제약에도 불구하고, 소재 지원 범위가 크게 확대되고 있다[4][7].
   - 표준 소재: PLA, ABS, PETG 등 기본적인 필라멘트 외에도 나일론, TPU, PC 등 고급 소재를 지원한다.
   - 복합 소재: 금속, 목재, 탄소 섬유 등이 혼합된 복합 필라멘트 사용이 가능한 모델들이 등장했다.
   - 유연한 익스트루더: 다양한 소재에 대응할 수 있는 유연한 익스트루더 설계가 적용되고 있다.
   - 다중 소재 프린팅: 일부 고급 모델은 2종 이상의 소재를 동시에 사용할 수 있는 듀얼 익스트루더를 채택했다.
6. 자동 보정 및 캘리브레이션
   정밀도 향상과 사용 편의성 제고를 위한 자동화 기술이 적극 도입되고 있다[5][8].
   - 자동 레벨링: 대부분의 모델이 자동 베드 레벨링 기능을 탑재하여 초기 설정 시간을 크게 줄였다.
   - 실시간 보정: 프린팅 과정 중 실시간으로 Z축 높이를 미세 조정하는 기술이 적용되고 있다.
   - AI 기반 품질 관리: 머신 러닝 알고리즘을 활용해 프린팅 품질을 실시간으로 분석하고 보정하는 시스템이 도입되고 있다.
   - 자가 진단: 센서와 AI를 활용한 자가 진단 시스템으로 유지보수 필요성을 사전에 알려준다.

• 기술 로드맵
• 특허조사

시장상황에 대한 분석

• 경쟁제품 조사 비교

내용

• 마케팅 전략 제시

내용

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

내용

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

내용

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

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

관련사업비 내역서

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

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