기술연구

김경현 2016. 2. 6. 22:38

안녕하세요.


기술이 공유되지 않으면 미래의 사회는 지금보다 더욱 폐쇄적이고 불평등한 사회가 될 것입니다. 카피레프트(copyleft)는 개인의 지적재산권을 중시하는 기존의 카피라이트(copyright)에 대항해 사회적 공유를 강조하는 정신이자 운동입니다. DIY연구소는 카피레프트(copyleft) 정신과 4차 산업기술의 확산을 위하여 연구한 내용을 무료로 배포하고 있습니다. 오늘은 3D프린터 오픈소스 RepRap 을 소개합니다. 저가 3D 프린터로 오픈 소스 3D 프린터 혁명이 시작되었고, 세계에서 가장 널리 사용되는 3D 프린터 입니다. 개발자 커뮤니티는 최신 페이지로 업데이트되고 있습니다. RepRap은 Replicating Rapid Prototyping 의 약어로 최첨단 최고의 자기 복제기를 의미합니다. 





[3D프린터 오픈소스 RepRap 소개 동영상]





DIY연구소 김경현 배상 (010 8604 6802)



[교육내용]


☞ 1. 3D프린터 설계제작

☞ 2. 3D프린터 프로그램

☞ 3. 3D프린터 의수제작

☞ 4. Core XY 3D프린터 구동방식과 조립

☞ 5. Prusa i3 3D프린터 조립

☞ 6. Prusa i3 3D프린터 배선

☞ 7. 3D프린터 전기조립 기초

☞ 8. Fun i3 3D프린터 조립

☞ 9. 3D프린터 오픈소스 RepRap

☞ 10. 20만원대 교육용 3D프린터 개발

☞ 11. 3D프린터 전기자전거 개발

☞ 12. 원노즐 듀얼 3D프린터 개발




[3D프린터 최신동향 소개 동영상]


※ 영어 인터뷰 내용입니다. 동영상 하단에서 [자동번역]-[한국어] 설정하시면 한국어 자막 지원됩니다.


1. RepRap 소개


인류 최초의 범용 자기 복제 제조 기계로. RepRap는 오픈소스 데스크톱 3D 프린터로 플라스틱 물체를 인쇄 할 수 있습니다. 많은 부분은 플라스틱으로 만든 자체 키트 부품을 사용하며, 자기 복제 방식으로 인쇄합니다. RepRap은 Replicating Rapid Prototyping 의 약어로 자기 복제 기계 제작에 관한 것으로, 모든 사람의 이익을 위하여 자유롭게 사용할 수 있습니다. 3D 프린터로 3D 프린터 자체를 복제할수 있습니다. RepRap.org 커뮤니티는 프로젝트로, 개발자는 자신의 새로운 페이지를 작성하실 수 있습니다. 커뮤니티에는 개발자 참여 방법에 대한 자세한 정보가 있습니다. 저가 3D 프린터로 오픈 소스 3D 프린터 혁명이 시작되었고, 세계에서 가장 널리 사용되는 3D 프린터 입니다. 개발자 커뮤니티는 최신 페이지로 업데이트되고 있습니다. RepRap은 최첨단 최고의 자기 복제기를 의미합니다.



2. RepRap Structure (구조)


RepRap 구조는 Software(소프트웨어), Electronics(전자), Mechanics(기계), Extruder(노즐)로 구성됩니다. 

rep-compstr1.jpg



3. Contents (내용)


#1. Models (모델)

RDarwin (license: GPL)

Mendel (license: GPL)

Prusa Mendel (license: GPL)

i3Berlin (license: GPL)

Prusa i3 (license: GPL)

K86 (license: CC-BY-NC-SA) 

Huxley (license: GPL)

Holliger (license: GPL)

Wolfy1.1 (license: GPL) 

Mix G1 (license: GPL)

RepRap Morgan (license: GPL)

Simpson (license: GPL) 

3DPrintMi (license: GPL)

Printrbot (license: CC-BY-SA)

Wallace (license: GPL) 

Tantillus (license: GPL)

Cartesio (license: CC-BY-NC-SA)

TowerSimpleXL (license: GPL) 

RepRapPro Mendel (license: GPL)

RepRapPro Huxley (license: GPL)

Eventorbot (license: CC-BY-SA) 

Kossel(license:GPL)

3drag (license: CC-BY-SA)

MendelMax (license: GPL) 

MendelMax 2.0 (license: GPL)

Mendel90 (license: GPL)

case-rap 2.0 (license: GPL) 

case-rap (license: GPL)

GolemD (license: CC-BY-SA)

Wood3D (license: CC-BY-NC-SA) 

FoldaRap (license: GPL)

Adapto (license: GPL)

SibRap (license: GPLv3) 

Haeckel (license: GPL)

Artifex (license: CC-BY-SA)

R-360 (license: CC-BY-SA) 

Smartrap mini (license: GPL)

Wilson (license: GPL)

Kiwi remix (license: GPL) 

Micro Delta (license: CC-BY-NC-SA)

Ormerod (license: GPL)

Sid (license: CC-BY-SA) 

Samuel (license: GPL)

Litone (license: GPL)

MM1 (license: CC-BY-SA-NC) 

Ulticampy (license: CC-BY-NC-SA)

Funbot_i1 (license: CC-BY-SA)

Rostock Mini Pro (license: GPL) 

Abbas (license: GPL)

Adapto Flex (license: GPL)

E1x (license: CC-BY-NC-SA) 

Nelu (license: GPL)

Molestock (license: CC-BY-NC-SA)

ToyREP (license: CC-BY-SA) 

XI3 (license: GPL)

ITopie (license: GPL)

Magikis Fabrikis (license: CC-BY-SA) 

Snappy (license: GPL)

M Prime one (license: CC-BY)

3Done (licence: CC-BY-NC-SA) 

JennyPrinter minimalist (licence: CC-BY-NC-SA)

SpatialOne (license: CC-BY-NC-SA)

RepRap Intro (license: GPLv2)





소프트웨어 툴체인은 크게 3 부분으로 나눌 수 있습니다.
1. CAD 도구입니다.
3. 전자 제품을위한 펌웨어. 

2.1 CAD Tools (CAD 도구)

컴퓨터 지원 설계를 의미하는 CAD는 3D 인쇄하려는 출력물을 설계하는 데 사용됩니다.

2.1.1 Software (소프트웨어)

CAD 도구 진정한 의미는 3D 인쇄하려는 출력물을 변수를 기반으로 쉽게 변경하고 조작 할 수 있도록 설계하는것 입니다. 때로는 CAD 파일로 언급되는 파라 메트릭 파일인 그들은 보통의 관점에서 3D 인쇄하려는 출력물 부품 또는 어셈블리를 나타내는 솔리드 형상의 입방체, 구, 실린더, 피라미드 등 형태로 수행하며 컴퓨터 그래픽으로 솔리드 모델을 작성하기 위한 수법인 CSG (Constructive Solid Geometry)를 사용하여 부품을 나타낼 수 있습니다. 소프트웨어 종류는 라이노, 솔리드웍스, 오토데스크 인벤터, 스케치, OpenSCAD, FreeCAD, HeeksCAD, 오토 데스크 3DS 맥스, 오토 데스크 알리아스, TinkerCAD.com, 3DTin.com 등이 있습니다. 


2.1.2 Files (파일)

3D 소프트웨어 애플리케이션의 대부분은 응용 프로그램 별 형식으로 자신의 파일을 저장합니다. 널리 사용되는 상호 교환 CSG 파일 형식은 STEP 및 IGES 입니다. CAM 툴에 의해 사용되는 이유로 중요하고 가장 널리 사용되는 교체 메쉬 파일 형식은 STL 입니다. CSG 파일 형식 수 메쉬 파일 형식으로 변환 될 수 있으나, 메쉬 파일인 STL 파일은 파라 메트릭 데이터를 포함하지 않기 때문에 CSG 파일 형식으로 변환 할수 없습니다. 이러한 이유로 설계한 파일은 원래의 CAD 응용 프로그램인 파라 메트릭 CSG 파일과 메쉬 파일인 STL 파일을 생성후 함께 저장하고 배포하는 것이 좋습니다.


CSG 파라메트릭파일

STL 다른이름 저장

   

STL 메쉬파일


2.2 CAM Tools(CAM 도구)

컴퓨터로 제조를 지원하는 CAM 도구로 기계 친화적인 형식으로 CAD 파일을 변환하는 중간 단계입니다. 


2.2.1 Software (소프트웨어)


2.2.1.1 Slicing Software (슬라이스 소프트웨어)

CAM 소프트웨어는 STL 파일을 인쇄에 사용되는 기계 친화적 파일형식인 G 코드로 변환하는 프로그램입니다. 

1. MatterSlice (빠른 속도와 기능을 갖춤 - MatterControl와 작동) (오픈 소스)
2. Skeinforge (일자별 솔루션) (아직 최고 중 하나로 매우 정확한 인쇄에 권장
3. Cura (G-코드 보낸 사람 포함) (매우 빠르고 정확)
4. Slic3r (대부분의 RepRappers의 인기 소프트웨어) (모든 버전에서 버그가 많음)
5. Kisslicer ( 몇 가지 버그, 빠르고 정확함) (폐쇄 소스)
6. RepSnapper
7. RepRap Host Software
8. X2sw
9. SuperSkein
10. SlicerCloud (온라인 Slic3r 솔루션)
11. Simplify3D (유료)
STL파일을 G 코드 변환하는것은 슬라이스 단면에서 보이는 프린트 헤드인 압출기에서 플라스틱 분출후 이동하는 경로를 파악하고 이를 통해 공급하는 필라멘트의 양과 거리를 계산합니다.

2.2.1.2 G-code interpreter (G코드 인터프리터)

G 코드 파일은 G 코드 인터프리터를 통해 실행합니다. 모터의 실제 전자 신호를 RepRap에 보내고 이동합니다. G 코드 인터프리터를 실행하는 방법은 두 가지가 있습니다

1) 가장 일반적인 방법은 마이크로 컨트롤러의 펌웨어 G 코드를 해석합니다. 자동전압조정장치 AVR(Automatic Voltage Regulator)을 사용하는 아두이노 마이크로 컨트롤러에 G-코드를 보낼 수있는 방법이 필요합니다.
2) 다른 방법은 Linux와 같은 범용 OS에서 실행되는 소프트웨어를 사용하여 G 코드를 해석합니다. 전자기파적합성 EMC(Electro Magenetic Compatibility)을 위해 일반적으로 컴퓨터의 병렬 포트를 사용하며 운영 시스템으로 모터 제어 신호는 하드웨어와 직접 통신합니다.

2.2.1.3 G-code sender (G코드 발송기)

마이크로 컨트롤러의 G- 코드 인터프리터에 G 코드 파일을 보내려면 다음 중 하나가 필요합니다.
1) 지원되는 경우 메모리 카드 (일반적으로 SD 카드)에 G-코드 파일을 로드합니다.
2) 시리얼 포트를 통해 (보통 한번에 라인) G 부호 (RS-232 또는 TTL 레벨은 종종 USB 변환기를 사용) 또는 직접 USB 연결 하며 다음 프로그램 중 하나를 사용합니다.
1. MatterControl
2. ReplicatorG
3. RepSnapper
4. RepRaptor
5. RepRap Host Software
6. send.py
7. reprap-utils
8. Pronterface
9. RebRep
10. Repetier-Host
11. X2sw
12. Simplify3D
13. 3Delta

2.2.2 Part Files (부분 파일들)


2.3 Firmware (펌웨어)

Reprap Atmel AVR 프로세서로 저렴한 CPU에 의해 제어됩니다. 아트멜 프로세서는 아두이노 기반의 마이크로 컨트롤러를 사용합니다. 기본 실행 펌웨어 소프트웨어는 Reprap 입니다. 과정은 다음과 같은 단계를 포함합니다.

1. PC에 아두이노 IDE를 설치합니다.
2. 웹 사이트에서 일부 펌웨어 소스 코드를 다운로드 합니다.
3. 소스 코드에 하드웨어의 지정을 위하여 약간의 변경을 합니다.
4. 펌웨어 컴파일은 아두이노 단자 IDE(Integrated Drive Electronics) 포트를 사용합니다.
5. USB 케이블을 통해 PC에 컨트롤러를 연결합니다.
6. 컨트롤러의 CPU에 펌웨어를 업로드합니다.

2.3.1 G-codes (G코드)

당신의 마이크로 컨트롤러 펌웨어가 로드 된 후, G-코드를 RS-232 시리얼 포트 (일명 COM 포트)로 USB를 통해 PC와 아두이노가 연결되면 포트가 표시됩니다. 직렬 포트를 통해 G-코드를 전송 프로그램을 사용할 수 있습니다. 하이퍼 터미널 또는 미니 콤 같은 평범한 터미널 응용 프로그램으로도 입력 할 수 있습니다. 프로그램은 일반적으로 gcode 파일 형식입니다. 다음은 가장 인기있는 펌웨어에 대한 간단한 목록입니다.

1. Sprinter
2. Marlin
3. Teacup
4. Smoothie

2.3.2 Software (소프트웨어)

아두이노 기반의 전자 제품에 펌웨어를 컴파일하고 업로드 하려면, 아두이노 단자 IDE를 사용하여 아두이노 웹 사이트로부터 다운로드 받을수 있습니다.

2.3.3 Files (파일)

펌웨어 파일은 아두이노 소스 코드의 무리로 구성되며 PDE 파일과 기타 .CPP 및 .H 파일들이 들어있다. Arduino IDE는 소스코드를 단일 .hexfile로 컴파일하며, 업로드 아이콘을 클릭하면, .hexfile 로 전자 업로드 됩니다.


#3. More Info (추가정보)


#4. Electronics (전자)


4.1 Overview (개요)

RepRap 전자부는 5개의 부분으로 나누어진다.

4.1.1 The controller (컨트롤러)

컨트롤러는 RepRap의 두뇌이다. 대부분의 컨트롤러는 아두이노 마이크로컨트롤러에 기초한다. 컨트롤러는 아두이노메가와 쉴드라 칭하는 추가보드를 사용한다. 




4.1.2 Stepper Motors (스테퍼 모터)

스테퍼 모터는 컨트롤러에 의해 정밀제어가 가능한 전기모터 유형이다. 대부분의 RepRap은 4 또는 5개의 스테퍼 모터를 사용한다. 3 또는 4개 모터는 x/y/z 축 이동(z축은 가끔 2개모터로 제어된다)용으로 1개 모터는 익스트루더용으로 사용된다.  



4.1.3 Stepper Drivers (스테퍼 드라이버)

스테퍼 드라이버는 스테퍼 모터와 컨트롤러의 중간자 역할을 하는 칩이다. 이는 스테퍼모터로 보내는 이동신호를 단순화하는 역할을 한다. 스테퍼 드라이버는 컨프롤러 자체에 납땜되어 있거나 스테퍼드라이버 케이블을 통해 컨트롤러에 연결된 별도의 회로 기판상에 있거나 스테퍼 드라이버 컨트롤러 자체에 직접 연결한 작은 회로 기판이 있는 경우가 있는데 적어도 각각의 스테퍼모터 4개용 드라이버 설치를 위한 공간이 필요하다. 


   


4.1.4 End stops (최종 정지)

최종 정지 제어를 위한 엔드 스톱은 메우 작고 단순한 회로보드로 RepRap에 이동이 한 방향으로 너무 멀리 갈때 알려주는 종류의 스위치와 함께 합니다. 대부분의 펌웨어는 최소 위치 끝에 엔드스톱을 와이어를 통하여 설치하고 허용 최대 위치를 소프트웨어 설정으로 정지시킵니다. 



4.1.5 Heated Bed (가열 베드)

가열베드는 RepRap의 플라스틱 압출부로부터 플라스틱 출력물이 구축되는 베드입니다. 가열베드는 RepRap의 선택적 구성요소로 간주되는데 종종 가열된 베드위의 플라스틱 출력물이 너무 빨리 냉각되어 인쇄를 망치고 분리와 왜곡되는 현상을 방지하기 위하여 중요한 부분이 됩니다. 온수침대, 주방토스터와 같은 원리로 작동되며 온도센서와 큰 저항으로 아래를 참조하십시요.

1. PCB Heabed

2. RAMPS 1.2 결선도

3. Prusa 멘델 Heatbed 조립기술



4.2 More Information (추가정보)

전자 목록 페이지 참조하십시요.


#5. Mechanical Body (기계)

기계부는 일반적으로 2개의 부분으로 나누어 집니다.

1. X/Y/Z 축을 따라 이동하는 부분

2. 인쇄 베드


   


5.1 X/Y/Z Axis Motion (X/Y/Z축 동작)

RepRap의 전면을 향할때 X축은 좌우이동, Y축은 전후이동, Z축 상하이동을 의미하며, 선형운동은 일반적으로 2가지 방법중 하나를 사용하여 수행합니다. 대부분 RepRap은 벨트, 풀리가 빠르고 가벼운 운동에 좋아 X/Y축 이동에, 스레드로드 또는 스크류리드는 느리지만 강력한 운동에 좋아 Z축 이동에 조합하여 사용합니다. 

1. 벨트, 풀리 모션 구동

2. 선형나사 로드 또는 스크류 리드 운동


   


   


5.1.1 Belts and Pulleys (벨트와 풀리)

정확성에서 RepRap의 가장 중요한 부분은 벨트와 풀리 조합입니다. 스테퍼 모터의 정확한 내경 (일반적으로 5mm)과 일치하는 가공풀리와 GT2 벨트를 사용합니다. T5, T2.5, MXL, HTD, GT2, 스펙트럼 등 벨트, 풀리 조합은 많은 종류가 있습니다. 


   


5.1.2 Threaded rod (선형나사 로드)

대부분의 RepRap은 Z축이 빠르게 이동할 필요가 없으며 한번에 mm를 진행하기 때문에 선형나사 로드를 사용합니다. Z축 선형나사 로드가 X-캐리지의 무게를 지탱하기 때문에 로드와 너트는 고강도 스테인레스 스틸을 사용하는것이 좋습니다. 


         

5.1.3 Notes on Backlash (나사기어 참고사항)

대선형나사 로드와 벨트, 풀리 모두 방향을 변환할때 백래시(Backlash)가 문제가 발생한다. 한쌍의 기어가 맞물렸을때 치면 사이에 생기는 틈새로 매끄럽게 회전시키기 위해서는 적절한 백래시가 필요하지만 너무 적으면 윤활이 불충분하게 되어 치면끼리의 마찰이 커지고 너무 크면 기어의 맞물림이 나빠져 기어가 파손되기 쉽습니다.


5.2 Print Bed (인쇄 베드)

인쇄 베드는 RepRap 다윈과 같이 고정될수 있거나 X/Y/Z축 중 하나를 따라 이동할수 있으나 대부분 Y축을 따라 베드이동하고, 일부는 Z축을 따라 이동합니다. 보통 상부플레이트와 하부플레이트로 구성됩니다.



5.2.1 Upper Plate (상부 플레이트)

상부플레이트는 하부 플레이트 위에 스프링과 조정나사로 수평을 유지하며 장착됩니다. 상부 플레이트는 가열될수도 있고 그렇지 않을수도 있습니다. 일반적으로 PCB기판 또는 금속으로 만들어졌으며 판을 가열시 클립으로 고정하는 유리판을 그 위에 설치합니다. 테이프는 일반적으로 인쇄면의 역할을 하는 상부 플레이트에 적용되며 압출 플라스틱 출력물을 쉽게 제거할수 있게 합니다. 전용테이프와 캡톤테이프를 일반적으로 사용합니다.


   


5.2.2 Lower Plate (하부 플레이트)

하부 플레이트는 원래 멘델의 하부플레이트 모양이 개구리 모양이어서 개구리플레이트(Frog Plate)로 불리기도 합니다. 베드가 한축 방향으로 운동시, 예로 Y축 이동시 벨트로, Z축 이동시 선형나사로드로 기계적으로 접속됩니다.


   


#6. Extruder (압출부)

압출기에 공급되는 필라멘트는 히팅부를 통과하며 용융되고 노즐을 통하여 인쇄 베드위에 사출되어 증착되는 압출부는 두개의 부분으로 나누어 집니다.

1. 콜드엔드

2. 핫엔드 


   


6.1 Cold End (콜드엔드)

기계적으로 압출부의 절반으로 재료공급부에서 히팅이 이루어지기는 핫엔드부 이전까지를 의미합니다.

1. 웨이드의 기어드 압출기

2. 그렉의 힌지 압출기

3. 그렉의 웨이드의 리로디드 압출기


   


6.2 Hot End (핫엔드)

히팅후 압출기의 까다로운 공정인 용융 플라스틱 필라멘트를 다루는 복잡한 부분으로 핫엔드는 메탈케이스와 함께 구성 됩니다. 

1. 가열로 플라스틱을 용융시키는 저항 또는 히터카트리지 (보통 200도 정도)

2. 온도를 검출하는 Thermistor 또는 Thermocouple 형태의 열전대


   


6.3 Filament 필라멘트)

일반적으로 사람들은 ABS 또는 PLA 2종류의 필라멘트를 사용합니다. ABS는 석유화학 제품으로 유해가스가 발생되며 구부러지기 쉽고, PLA는 식물성 제품으로 생분해되어 무해하나 상대적으로 부서지기 쉬운 특성이 있습니다. 민감한 구조에는 PLA가 사용되고 다른 목적에는 ABS가 이상적입니다. 



6.4 Notes on PID (PID 비례제어 참고사항)

PID는 Proportional Integral Derivative control 의 약어로 P(비례) I(적분) D(미분)의 3항 동작을 조합시켜 사용하는 제어방식으로 폐쇄 루프제어 알고리즘 입니다. 예로 온도측정시 센서로부터 피드백을 사용하여 히터의 온오프 제어를 통하여 설정값을 유지하여 출력을 제어하는 수학적 알고리즘 입니다. 자동차의 크루즈 컨트롤은 다른 좋은 예입니다. 



6.5 Further info on sourcing parts (Vitamin) (추가자료 정보)

기타 플라스틱 생산기계와 플랜트시설 정보를 공유합니다.


#7. 제작















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