[범블비 델타 07] 60원 스위치로 만든 오토레벨링 센서 & 델타 이펙터

[범블비 델타 07 - 60원 스위치로 만든 오토레벨링 센서 & 델타 이펙터]

델타자작의 절반은 진행된것 같다. 

여러 파트들이 중국에서 오고 있고, 프로파일과 모터는 국내에서 구입해 조립해보려고 한다.  이제 대부분의 주요 부품들은 출력이 끝났고, 델타 구조에서 핵심중 하나인 이펙터만 남아 있는 상태다. 처음에는 이펙터를 과연 잘 만들 수 있을지 고민이 되었는데, 지난포스팅에서 델타 carriage를  LM 12C 에 맞춰 디자인을 해 장착한 경험 때문인지 자신감이 붙었다.  이자리를 빌어 델타기구학적인 메카니즘에 대해 잘 정리해놓은 reprap 자료와 공방장님의 유튜브 강좌에 감사를 표하는 바이다.  (reprap 자료 링크 : https://reprap.org/wiki/Delta_geometry), (공방장님 유튜브 : https://youtu.be/gPGb7voB9iE)  

캐리지의 arm space 를 45mm 로 주었기에 effector 도 45mm 간격의 마그네틱 방식을 차용하고 있는 디자인을 싱기버스에서 찾는데 한참을 찾던 중 내가 원하는 디자인에 근접한 것을 발견하게 되었다. 이펙터에 볼이 아니라 자석이 들어가는 방식이라 나와는 반대지만 조금만 수정하면 될 것 같았다.  

<출처 : https://www.thingiverse.com/thing:2024371>

뭔가 복잡해 보이는 이 이펙터에는 아주 신기한 기능이 숨어 있었는데,  오토레벨링 장치가 함께 들어 있었던 것이다. 

이번 포스팅은 이것이 핵심이라 본다. 

1. 이 디자인에 매력을 느낀 이유

인터넷 가격으로 30원정도 하는 6x6 택트 스위치 2개로 오토레벨링 기능을 담았다는 것도 놀랍지만 델타의 오토레벨링을 어떻게 하면 좋을지 고민하고 있던 내게는 정말 획기적인 방식이라고 느껴졌다. 

보통 직교형과는 달리 델타는 오토레벨링이 쉽지 않다고 들었다. 특히 노즐과 오토레벨링 센서와의 offset  이 주어지는 경우는 실제 노즐의 위치와 레벨링 센서가 측정한 위치와의 차이 때문에 제대로 구현이 안된다는 이야기를 들었었다. 생각해보면 왠지 그럴것도 같다. 직교형이야 Z 가 x, y 와 따로 분리가 되어 있으니 x, y 위치의 오프셋이 있다고 하더라도 센서 위치로 노즐을 옮겼을 때 Z probe offset 만큼 차이가 난다고 볼 수 있겠으나 델타는 도무지 그런 개념으로는 접근이 안될듯 싶었다. 그래서인지 판매되는 델타 프린터 기종중에는 노즐 밑에 레벨링시에만 잠시 장착해놓고 레벨링이 끝나면 출력시 치우는 방식의 레벨링을 구현한 제품도 본적이 있다. 

어쨋든 현재 이런 문제가 펌웨어 단에서 해결이 되었는지 모르겠지만 그렇다고 하더라도 별도로 노즐셋 옆에 센서를 달아야 하는 번거로움과 이펙터 무게와 부피 증가, 가뜩이나 베드사이즈를 작게 만드는데 센서까지 부착하려니 뭔가 바람직한 방향은 아닌듯 싶었다.  만약 위 디자인이 설명하는대로 구현이 된다면 별도의 오토레벨링 센서 없이 노즐 자체가 레벨링 probe 가 되어 probe 와 노즐의 offset 은 Zero(0) 이 되는 것이니 이처럼 완벽한  레벨링 센서가 있을까 싶었다. 

2. 모델링 수정 및 프로토타입 출력 

그래서 바로 볼조인트 부분만을 내 방식에 맞춰 수정을 해준 다음에 프로토타입을 출력해 확인해보았다.   간단히 구현가능성만 보고자 PLA 로 출력했다.  

직접 출력해서 보니 동작 원리가 눈에 들어왔다. 상단의 빨간색 출력물이 e3d v6 노즐셋의 머리부분을 꽉 잡고 있고, 노란색은 고정이 안된 상태였다.  그리고 위에 3개의 나사에 스프링이 들어가서 오토레벨링시 노즐이 눌리게 되면 빨강과 노랑사이가 벌어지면서 센서가 작동하는 방식이었다. 

괜찮은 방식이긴 한데 몇가지 우려되는 것이 있었다. 

상단만 고정이 되는데 까딱까딱 유격이 생겨 출력품질에 악영향을 주진 않을까?  

집에 돌아다니는 6x6 택트 스위치가 딸깍 거리는 방식이던데 이런 형태의 스위칭이 과연 정밀도가 있을까? 

원작자가 올려놓은 스위치와 내가 가지고 있는 스위치가 형태가 조금 다른데 그걸 써도 될까? 

그런데 이런 고민은 직접 해보기전에는 알 수가 없는 것이란 생각이 들었고,

비용도 그리 많이 들지 않을 것이기에 시도해보기로 했다. 

3. 재료 준비 

1) 6x6 택트 스위치 

나는 예전에 아두이노 배울때 가지고 있던 집에 돌아다니는 것을 사용했으나 처음 구입하고자 하시는 분들은 다음과 같은 것을 구입하시면 될 것이다. 높이는 5mm 짜리면 충분하다고 본다. 

2) 스프링 

 유격발생 우려 때문에 스프링이 가장 중요하다고 여겨졌다. 쉽게 만들려면 집에 있는 모나미볼펜의 스프링을 이용해볼까도 했지만 스프링 힘이 너무 약하게 되면 이펙터와 홀더가 따로 놀 수 있을 것 같아 원작자가 올려놓은 스프링을 찾아보려고 했다.  그런데 이 스프링 찾는게 쉽지가 않았다.  원작자는 3.45 - 4.8 mm 8mm 규격의 스프링을 가지고 했다고 적어놓았는데, 가장 비슷한 것으로 찾은 것이 다음의 제품이었다.

이건 다른 곳에는 없는 것 같아 구매링크를 올려놓도록 하겠다.

https://smartstore.naver.com/partnersp0001/products/3898881756

(추가)  사각너트가 필요해서 수소문하다가 알게 된 사이트에서 스프링이 1개 100원씩 판매되는 걸 보았습니다. ㅠㅠ  그래서 수정 링크 올립니다.

https://smartstore.naver.com/3dprinter/products/251695229

스프링 선택의 기준은 일단 M3 볼트에 들어가야 하니 내경이 3mm 보다는 커야 하고, 제작자는 언급이 없지만 내경과 외경의 차이를 통해 알 수 있는 스프링 철심의 굵기, 즉 선경이 0.6~0.7mm 정도는 되어야 압축력을 얻을 수 있을 것 같았다.  길이가 8mm 보다 좀 짧긴 하지만 이건 조금 짧은 M3 볼트를 사용하면 해결될 것으로 보였다.  

그러고 보니 센서로 쓸 스위치는 60원이지만 이건 3개 합해 2700원에 택비까지 있으니 스프링이 가장 큰 비용이 되었다. ㅠㅠ 

3) 이펙터 출력

이펙터는 노즐근처에서 열을  많이 받을 수 있는 부분이기 때문에 PLA 는 곤란하다고 생각했다. PC 등으로 출력할 수 있으면 더 좋겠지만 일단 PETG나 ABS 로 출력을 해야겠다고 생각했고, 집 근처 무한상상실의 zortrax 프린터를 이용해 출력진행했다. 

ABS 라서 그런건지 모르겠지만 확실히 비싼 프린터는 뭔가 달라도 달라 보였다. 

만약 나와 같은 방식의 마그네틱 볼조인트를 이용하고자 한다면 내가 수정해 올려놓은 다음 모델링을 이용해도 좋겠다. 

<싱기버스 remixed 모델링 : https://www.thingiverse.com/thing:3528289>

4) 기타  준비사항

그리고 그밖에 자질구레한 준비사항이 있는데 다음과 같다. 

e3d V6 노즐셋  1ea

볼트 M3 x 16 3ea (스프링 짧은걸 썼기에)

볼트 M3 x 20 2ea

볼트 M3 x 10 2ea (적당히 짧은 것이면 됨)

얇은 선 2가닥

납땜기 

멀티메터 (반드시 필요)

드라이버 혹은 육각렌치

니퍼

4. 제작 과정 

<이펙터 볼 조인트 연결>

M4 무드볼트와 너트를 이용해서 쇠구슬을 고정시켰다. 

나중에는 요것들이 서로 연결이 될 것이다. 

<센서 스위치 배선연결 및 장착>

오늘의 주인공 6x6 스위치이다. 보면 한쪽에 있는 다리 2개를 잘라버린것을 볼 수 있다. 원작자는 세로로 길고 다리가 한쪽으로 뻗힌 스위치를 쓰기에 디자인에 맞추려면 반대쪽 다리를 잘라 버려야 했다.  그리고 나머지 다리는 곧게 펴지도록 하자. 

곧게 펴둔 스위치 다리에 납땜으로 준비된 선을 연결한다. 

스위치에 긴 선을 각각 납땜으로 다리 한쪽씩  연결하고 나머지 다리를 서로 연결해주기 위해  50mm 정도 길이의 선을 추가로 준비한다. 

짧은 선으론 2개의 스위치사이를 연결해야하지만 여기서는 일단 1개의 다리만 납땜해서 연결한다.  돌아다니는 수축튜브가 있어 사용해줬다.  수축튜브는 지금 내가 했던 사진보다는 조금 짧게 해주는게 원활한 장착에 도움이 될 것이다. 

이제 스위치를 이펙터에 장착한다. 선은 나있는 구멍으로 집어 넣으면 된다.

짧은 선은 뒤로 해서 다시 구멍으로 넣는다. 스위치와 스위치 사이를 연결하기 위함인데, 스위치 2개를 직렬로 연결해서 1개 스위치만 작동해도 신호가 바뀌게 하려는 방식이었다.

바닥에서 보면 사진과 같다.  

뒤로 돌려 넣은 짧은 선을 나머지 선 하나에 납땜을 해준다. 

그리고 스위치는 순간접착제로 위치를 고정했다. 

여기까지 해둔 다음에 연결 테스트를 진행해보았다. 

딸깍 눌리는게 정밀도 면에서 조금 불안하긴 하지만 방식이 눌렸다가 살짝 떨어지는 지점을 인식하기에 조립해놓으면 괜찮지 않을까 하는 바람으로 계속 진행하였다.

<노즐셋 연결을 위한 선정리>

이제 노즐셋을 장착할 차례이다. 

노즐셋 장착에서 가장 처음 진행할 부분은 히터봉 전선에 싸있는 피복을 조금 잘라내는 것이다. 이게 너무 길게 되어 있어 이펙터의 구멍으로 넣었을때 이펙터 움직임에 간섭을 일으키기 때문이다. 선을 히트싱크에 바짝 붙인다음에 히트싱크 끝나는지점에 표시를 해두고 그 부분을 자르면 된다. 옆에 온도 센서 선을 감싸고 있는 투명 코팅부분도 벗겨주도록 한다. 

히트싱크 끝나는 부분에 맞췄다. 

스위치 전선도 함께 정리를 해야하기 때문에 뒤로 빼둔 전선의 선정리를 위해 순간접착제로 바르는 중이다. 캡톤테이프로 할까, 글루건으로 할까 하다 순접을 했는데 어느게 가장 좋을지는 모르겠다.  그냥 순접 고정했다. 

이렇게 선을 가지런히 정리하고 이펙터에 나있는 선 들어가는 구멍에 넣는다.

위에서 보면 이런 모습이 된다. 

<노즐셋 고정 파츠 연결 및 스프링 장착>

이제 노즐셋 고정 부품을 결합할 차례다. 

요런식으로 결합이 될 건데, 선이 지나는 길에 맞춰 방향을 돌리면 정확히 위치가 되도록 되어 있다. 

요렇게 M3x20 나사로 돌려주면 된다. 

열심히 돌리다보니 노즐셋이 움직이지 않는 정도가 되어 멈췄다. 

오늘의 가장 비싼 재료인 스프링을 M3x16 볼트에 와셔와 함께 결합했다. 이제 이걸 장착해줄 차례이다. 

이것도 열심히 돌리다보니 어느정도의 텐션이 가해지는 선에서 멈췄다. 3개의 길이는 거의 같도록 하는게 균형에 있어 중요할 듯 싶어 맞춰줬다.  아래쪽에서 흔들어보았다. 출력도중 노즐이 움직일 것 같아보이진 않았다.  적당한 압축력이 작용해서 왠만큼은 움직이지 않도록 고정이 되어 있는 상태이다. 

<센서 감도 조절 작업> 

이제 가장 중요한 부분이 남았다. 

바로 스위치 센서 감도 조절이다.  현재까지 조립된 상태에서는 스위치가 눌려있지 않다. 완성된 기본 상태는 스위치가 눌려져 있어야 한다. 그리고 그것이 오토레벨링시 압력을 받아 살짝 떨어질때를 측정하는 방법인데 다음 순으로 2개의 M3 볼트를 이용해주면 된다. 

스위치가 있는 지점의 위에 M3 나사를 돌려넣을 2개의 구멍이 있다. 이곳에 볼트를 돌려주면 된다. 볼트 길이는 사진과 같이 처음에는 조금 긴것을 이용했으나 나중에는 스위치 누르는 거리를 감안해 조금 짧은 것으로 교체하였다. 볼트가 툭 튀어나온게 싫어서이다.  

볼트를 돌리다보면 '딸깍' 하면서 스위치가 눌리는 소리가 들리면 멈추면 된다. 

그리고 나서 정밀한 센서 감도 조절이 필요한다. 그것은 멀티메터로 선을 연결한 다음에 조절하면 된다. 이는 원작자가 올려놓은 다음 영상을 참고하길 바란다.  프랑스어이지만 대략 영상을 보면 쉽게 따라할 수 있게 보여주고 있다. 

(영상참조 : https://youtu.be/SkY21pOv6xk?t=1508)

볼트를 중간에 짧은 걸로 바꾸었더니 1mm 정도 남겨두고 센서 조절을 맞쳤다. 

센서감도는 너무 아슬아슬하게 해도 테프론튜브의 눌림등으로 작동할 수 있으니 오작동이 일어나지 않는 지점을 찾는것이 중요하다고 보았다. 너무 둔하게 하면 노즐이 베드를 깊이 찍을 수도 있을 것 같다. 

이렇게 하고 임시테스트를 진행해보았다. 

5. 소감 및 이후 계획

마지막 영상에서 보았듯이 손으로 진행한 테스트에서는 그리 크지 않은 압력을 주어도 센서가 작동하는 것을 확인할 수 있었다.  하지만, 몇가지 불안요소는 가지고 있다. 특히 범블비 델타의 경우는 마그네틱 볼 조인트 방식이기에 힘 조절이 잘못되었을 경우에는 자석으로부터 이펙터나 로드 암이 떨어져 나가는 건 아닐까 하는 우려가 있다. 또한 지금은 손의 힘으로  했을때 작동을 하고 있지만 실제 오토레벨링을 진행하게 되었을때의 결과는 알 수가 없다. 특히 센서의 정밀도가 어떨런지는??  우리가 오토홈할때 사용하고 있는 엔드스탑용 스위치도 딸깍 거리는 방식인데, 오토홈이야 오차가 조금 있더라도 큰 문제는 없지만 과연 레벨링을 감당할 정밀도가 될지가 궁금하다. (그런데 싱기버스 코멘트란에 보면 작동이 괜찮다고 하는 의견이 많은걸로 보아 상당히 기대가 된다)

또 한가지는 이번 오토레벨링과는 상관없지만 계속 염려되는 것이 마그네틱 볼 조인트가 이펙터를 제대로 잡고 있을까 하는 걱정이 든다. 손으로 잡아 당겨보면 쉽게 떨어지는데 과연 이게 출력시 급한 가속도와 지그재그 출력 진동에도 견뎌낼 수 있을까? 근데 이건 지금 아무리 걱정하고 있어봤자 직접 해보기 전에는 알 수가 없는 노릇일것 같다. 해보고 그때가서 바꾸던지 하고 일단 진행해봐야겠다. 

여기까지 델타 이펙터 제작기를 마친다. 

60원 스위치의 오토레벨링 결과는 범블비 델타가 완성이 되면 확인해볼 수 있을 듯 하다.

다음 포스팅에서는 프로파일 사이즈를 결정한 다음에 주문에 들어갈 것으로 보인다. 

나도 기대된다. 

다음 포스팅을 기약하며 이만 마치도록 하겠다. 

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