3D 프린팅으로 정교하게 제작된 시연용 모형, 유성기어

기계 / 산업
♦ 제품용도 : 제품 원리 시연용 모형
♦ 제조방식 : 3D프린팅(SLA), ABS-like
♦ 중점사항 : 시연을 위한 정교하고 경제적인 제작

 

개요

의뢰 기업은 유성기어의 원리를 설명하기 위하여 움직임을 볼 수 있는 모형 제작을 원하셨습니다.
유성기어는 자동차 구동 체계에 이용되는 기어의 일종입니다.
용어는 유성기어지만 실제로는 태양 주변을 공전하는 행성 같은 움직임을 보여줍니다.
태양 역할을 하는 중심의 선 기어와 행성 역할의 플래니터리 기어,
다른 기어와 맞물려 움직이도록 이가 안쪽으로 나 있는 형태의 링 기어로 이루어져 있습니다.

 

유성기어는 기어 고정 여부에 따라 다양한 방식으로 작동할 수 있습니다.
해당 모형은 그 중 링 기어가 고정된 상태에서의 작동 방식을 보여줄 수 있도록 제작했습니다.

링 기어 고정 상태에서 유성기어 참고 / 출처: https://eahart.com/prius/psd/

※링 기어(밝은 노랑), 플래니터리 기어(주황), 선 기어(파랑)

 

제작과정

3D 모델링

의뢰 기업은 기어의 형태를 정해두지 않았으므로, 손쉽게 제작할 수 있는 오픈소스를 활용해 1차 제작을 진행했습니다.
캐리어와 손잡이를 따로 제작하여 결합할 수 있도록 설계했습니다.
캐리어는 플래니터리 기어 중심축과 연결되어 플래니터리 기어의 움직임을 제어하는 부품입니다.
용도에 따라 고정이 필요할 때가 있으나 해당 모형에서는 기어를 구동시키는 역할을 할 것입니다.

 

이번 프로젝트에는 플래니터리 기어 4개가 존재하므로 십자 모양의 캐리어를 제작했습니다.
모델링 과정에서는 각 부품이 제대로 결합할 수 있도록 공법과 재료를 고려해 공차를 두었습니다.

 

유성 기어 3D 모델링

 

첫 모델링에서는 모든 기어의 회전을 보여주기 위해 기어를 고정하지 않았으나 후에는 링 기어를 고정하고,
플래니터리 기어에 균일한 힘을 주기 위하여 잡기 쉬운 형태로 손잡이 모델링을 수정했습니다.

 

3D 프린팅

전시용 제품 제작에 자주 사용되는 SLA 공법과 ABS-like 소재로 제작했습니다.
SLA 공법으로 제작한 제품은 표면이 매끄럽고 요철이 적어 여유롭게 구동할 수 있습니다.
ABS는 전자제품 등 다른 산업 분야에서도 빈번하게 사용하며,
서포트 제거가 쉬워 표면이 복잡한 물건도 백색으로 정밀하게 구현할 수 있습니다.

 

이에 더하여, 내부 공간 밀도를 조정해 경제적으로 제작했습니다.
해당 제품은 소재 밀도를 20%로 설정하여 제품 내부 공간 일부가 비어 있습니다.
기어가 맞물려 돌아가는 동안 파손되지 않도록 구동을 견딜 만한 내구성을 유지하는 선에서
밀도를 조절해 시연에 무리가 없게끔 제작했습니다.

 

💡3D 프린팅의 경제적 제작
     3D 프린팅은 바닥 면에서부터 적층하여 형태감을 만들어 나가는 공정입니다.
     제조 공정의 특성상 사방이 막혀있는 형태에서도 내부 공간을 만들 수 있습니다.
 　밀도가 중요하지 않은 제품이라면 이를 통해 ①재료비를 절감하고 ②신속한 결과물을 제작할 수 있다는 장점이 있습니다.

 

유성기어 1차 제작

 

1차 시제품을 제작하여 설계에서는 확인하기 힘들었던 부분을 검토했습니다.
시제품은 링 기어와 플래니터리 기어의 부피가 크고, 선기어가 작아 구동 장면이 제대로 보이지 않았습니다.
모든 기어를 움직일 수 있도록 제작하니 부품을 옮기고 조립하는 데 불편함이 있었으며,
기어 작동 시연에도 어려움이 있었습니다.
따라서 개선 과정에서는 하나의 기어를 고정하여 보여주기로 했습니다.
개선을 위해 모형 각 부위의 크기를 조절하기로 했으며,
모델링 수정에 앞서 선 기어의 크기를 변경하기 위해 푸른색 펜으로 링 기어의 잇수를 적었습니다.

 

유성기어 캐리어와 손잡이

 

더하여 손잡이의 형태를 바꾸고 열쇠 구멍 형태의 홈을 냈습니다.
열쇠 구멍 형태의 홈은 캐리어와 손잡이를 접합할 필요 없이 손쉽게 탈착할 수 있도록 합니다.
원에서 돌출된 직선형 윤곽은 회전 방향으로 힘을 줄 때 손잡이가 헛돌지 않도록 도와줍니다.

 

최종 제품

최종 제품에서는 링 기어를 고정할 아크릴판을 부착했습니다.

 

유성기어 링 기어 고정용 아크릴판

 

이중으로 덧댄 투명 아크릴판은 선 기어와 밀착해 있으며,
① 바닥 면 역할을 해 기어들이 자리를 벗어나지 않도록 고정해 줍니다.
② 기어의 움직임을 관찰하는 데에 외관상 방해가 되지 않으며,
③ 기어를 고정하여 이동 시에도 기어들이 뿔뿔이 흩어지는 사태를 방지합니다.

 

유성기어 전체 움직임 시연

 

조립 후 시연한 결과 손잡이 결합이 문제없이 이루어지며,
각 플래니터리 기어가 캐리어 움직임에 따라 수월하게 작동하는 것을 확인했습니다.
두께를 줄이고 선 기어를 키워 각 기어의 동작이 잘 보입니다.

 

마치며

유성기어 모형에 알맞은 공법을 골라 제작을 진행한 프로젝트입니다.
다양한 부품을 결합해야 하는 모형이었으므로 공차와 결합 용이성에 특히 중점을 두어 제작했습니다.
또한 완성도 높은 모형 제작을 위해 3D 프린팅 외의 공법과 재료까지 활용했습니다.

 

한양3D팩토리는 모형 및 시제품 제작을 전문으로 진행하고 있습니다.
홈페이지 상단, 또는 하단 배너의 제작 문의를 누르면 빠르게 제작 가능 여부를 확인하실 수 있습니다.