삼성 NX용 접사튜브 공제 제작기-#6. 플라스틱 부품의 제작

록키산맥 | 06-05 13:40 | 조회수 : 5,667 가 가

아래에 올린 제작기에 이은 6편입니다.

삼성 NX용 접사튜브 공제 제작기-#1. 삼성에서 기증한 순정 마운트 부품, 그리고 디자인
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삼성 NX용 접사튜브 공제 제작기-#2. 공제용 셋트 디자인 완성
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삼성 NX용 접사튜브 공제 제작기-#3. 에보니(흑단목) 접사튜브 샘플 제작
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삼성 NX용 접사튜브 공제 제작기-#4. 접사튜브 원목 케이스 샘플 제작
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삼성 NX용 접사튜브 공제 제작기-#5. 공동제작 배포용 접사튜브 원목 케이스 제작
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1. 접사튜브에 들어가는 플라스틱 부품.

제작 중인 공제 접사튜브에 들어가는 플라스틱 부품은 바로 아래 이미지와 같이 2개입니다. 하나는 렌즈 제거 버튼이고, 다른 하나는 렌즈 접점 베이스입니다.

렌즈 접점 베이스는 CNC를 이용해 UHMW 라는 플라스틱을 직접 가공하는 계획이었고, 렌즈 제거 버튼은 보유하고 있는 3D 프린터로 출력해서 이것을 황동 핀을 같이 조립하는 형태로 계획을 했었습니다. 실제 이 방법으로 샘플 접사튜브까지 완성한 상태였습니다.

그러나 이게 좀 뒷꽁지가 계속 땡기는 것이....

다른 접사튜브 셋트의 부품에 비해 이 두개의 플라스틱 부품의 품질이 너무 낮다는 것이 문제였습니다.

2. 유레카!!!! 플라스틱 캐스팅!!!

접사튜브 공제 제작을 진행하면서, 계속 고민에 고민을 하던 이 플라스틱 부품을 어떻게 하면 다른 부품에 어울린 수준으로 품질을 끌어올리는가 하는 것이었는데...

미국이라는 데가, 양덕에 잉여력 폭발하는 사람이 상당히 많지만, 또 어떻게 보면, 처음 입문하는 사람들에게는 정보를 얻기가 엄청나게 어려운 곳이기도 합니다. 워낙 땅덩어리가 넓어 여기저기 흩어져 살고 있고, 특히 저같이 대도시가 아닌, 산골짜기에 살다보면, 어디서 뭐한다고 해서 한국처럼 마실삼아 한번 가서 구경하는 것조차 어려운 곳입니다.

그러다, 아래의 웹싸이트를 발견했는데, 이 사람은 CNC를 이용해 정밀 몰드를 제작하고, 이를 이용해 고품질 플라스틱 주형 제작에 필요한 알파에서 부터 오메가 까지 완전 정리를 하여 올렸습니다. 거의 0.01mm 급의 정밀도를 자랑하며, 각종 플라스틱 수지를 이용해 자신도 로보틱스와 관련한 자작을 하는 사람입니다.

낮에는 컴퓨터 관련직에 종사하고, 밤에는 로보틱스 자작인.... ㄷㄷㄷ

Guerrilla guide to CNC machining, mold making, and resin casting
lcamtuf.coredump.cx/gcnc

아래는 위의 방법으로 Guerrilla 자신이 제작한 모터 감속 기어입니다.

아래는 제작중인 주행 모형.

아래는 이 방법으로 제작한 감속기어 동작 동영상입니다.

저는 이미 소형 CNC를 가지고 있었기 때문에 딱히 기술적으로 이 방법을 적용하는 것에 대한 문제는 없는 상태였습니다.

이 자료를 바탕으로 그동안 가지고 있던 계획을 바꿔 플라스틱 몰드와 캐스팅으로 플라스틱 부품을 제작하기로 하였습니다.

3. 플라스틱 캐스팅 테스트 그리고, 실패

먼저 제작 시도를 한 것은 바로 아래의 렌즈 제거 버튼입니다.

아래 렌더링 이미지에서 좌측이 기존에 디자인한 것으로 3D프린터로 1차 출력한 다음에 CNC로 추가 가공을 계획하고 있는 것이고, 우측이 이번에 몰딩용으로 제작을 계획하고 있는 부품의 디자인입니다. 일단 눈에 띄는 부분은 버튼부입니다.

기능적으로 가장 큰 차이가 있는 것은 아래 쪽입니다. 기존의 것은 3D 프린터로 1차 출력한 후에 CNC로 2차 가공을 한 후에, 렌즈 고정 핀인 황동핀을 위치에 삽입하고 이를 고정하기 위하여 에폭시 접착제를 이용하는 방법입니다.

그러나, 몰딩을 사용하게 되면, 끼워넣는 것을 고려할 필요없이 황동핀을 같이 몰드에 넣고, 레진을 넣어 한꺼번에 굳히는 방법을 사용할 수 있어, 훨씬 견고하고, 나은 품질의 부품을 얻을 수 있을 것입니다.

아래 사진을 보면, 왜 기존의 방법에 대해 마음에 들어하지 않았던지 이유를 알 수 있을 것입니다. 아래는 3D프린터로 출력하고 CNC로 2차 가공(핀, 스프링용 구멍)한 플라스틱 부품입니다. 일단 표면이 거칠고, 재질이 ABS라 물성이 상대적으로 물러, 내구성 자체는 아주 좋은 재료가 아닙니다만, 3D프린터 자체의 한계라 어쩔 수 없는 부분입니다.

거기에 더해, 이 작은 (약 1cm x 1cm x 1cm 정도 크기) 부품을 제작하는데, 3-4번의 손이 가야 하기 때문에 품질에 편차가 낄 확률이 그만큼 높아진다는 것입니다. 그리고, 황동핀을 구멍에 넣고 플라스틱과 결합하는 것 또한 접착제를 사용하기 때문에 역시 내구성이 그다지 높지 않다는 단점을 가집니다.

아래 사진이 워낙 허름(?)해 보이기는 하지만, 작은 버튼을 접사로 찍어서 더 도드라져 보일뿐, 보는 것 만큼 험해 보이지는 않습니다. 사용한 3D 프린터는 그래도 준중형차값 수준의 상업용 3D프린터란.... ㄷㄷㄷ

그동안 많은 시간을 투자하여, 플라스틱 레진 몰딩에 관하여 앞에서 소개한 블로그의 자료를 취합하여, 구입하게 된 재료들입니다.

위의 사진에는 없지만, 최초 양형 몰드 (Positive Molding)을 제작하기 위한 프로토타입 보드가 있고, 각종 정밀 엔드밀 비트들… ( 6mm, 3mm, 1mm, 0.4mm), 정밀 저울, 계량 컵 등등이 있습니다.

작업의 순서는

o 프로토타입 보드 (집성목 같은 느낌이 있는 보드)에 양형 몰드 제작
o 제작한 양형 몰드에 실리콘을 부어 음형(Negative) 몰드를 제작 (이 경우 부품의 복잡성으로 인해 상하,이중 몰드)
o 완성된 실리콘 몰드에 플라스틱 레진 (폴리우레탄)을 부어넣어 굳혀 부품 완성.

아래는 렌즈 제거 버튼 부품을 만들기 위한 양형 몰드의 디자인입니다.

이 방법을 이용하면 미리 황동핀을 몰드에 집어넣은 상태로 플라스틱 수지를 넣어 한꺼번에 굳혀 부품을 완성할 수 있습니다.

몰드 제작은 RenShape460이라는 폴리우레탄 재질의 기계가공용 보드를 이용했습니다. 재질의 느낌은 거의 나무같습니다. 색깔도 그렇고... 비슷한 목적으로 기계가공용 왁스를 사용하기도 합니다만, 이것도 가공은 끝내주게 나오네요. 물론 꽤 비싼 물건입니다.

아래 완성된 양형 몰드는 CNC 순수 가공 시간만 12시간 동안 작업한 결과물입니다. (처음 해보는 것이라 시간이 많이 걸렸습니다.)

이제, 이 양형 몰드에 실리콘을 부어서, 음형 몰드를 만들어야 합니다.

실리콘 몰드를 제작할 때, 가장 중요한 것은 역시 탈포(degas)작업입니다. 실리콘과 경화제를 10:1로 균일하게 섞기 위해 막대로 젓다보면 어쩔 수 없이 기포가 생기게 마련이고, 실리콘의 찐덕찐덕한 특성상 한번 기포가 들어가면 쉽제 빠져나오지 못하는 상황이 됩니다.

이런 기포는 몰드 표현에 크고작은 기포를 만들어, 나중에 완전히 경화되고 나면, 중간중간 구멍이 뚫리면서 결과물의 품질에 심각한 악영향을 끼칩니다.

이런 상황에 대응하기 위해 몰드에 실리콘을 부어넣은 다음, 통째로 진공용기에 넣고, 진공을 가해주어, 실리콘 혼합제에 있는 기포가 팽창하여 위로 떠오르게 만들어 터트림으로써, 혼합제가 경화되기 전에 내부에있는 기체를 빼내주는 작업을 수행합니다.

아래는 진공용기 속에 들어가 있는 프로토타입의 Positive몰드에 실리콘 혼합제를 부어, 이를 진공용기 속에 넣은 모습니다. 아직 탈포작업 전입니다.

진공펌프를 작동시키면, 마치 끓어오르는 물처럼, 내부에 혼합되어 있던 기포가 팽창하면서 표면으로 떠오릅니다. 약간의 시간이 지나면 기포가 모두 터지면서 잦아드는데, 기포가 어느정도 가라앉으면, 다시 진공용기 내에 공기를 주입시켜 압력을 높이면 표면이 아주 깨끗하게 가라앉으면서, 탈포작업이 끝납니다. 이 상태로 충분히 경화되기를 기다립니다.

24시간이 지난 후, 실리콘 Negative Mold를 틀에서 벗겨냅니다. 아래 사진에서 위는 실리콘 몰드를 제작하는데, 사용했던 프로토타입의 Positive Mold이고, 아래 연한 파란색이 경화 완료된 실리콘 Negative Mold입니다.

몰드가 아주 깨끗하게, 기포없이 잘 나왔습니다. 실리콘 몰드를 생각하면 꽤 물렁하지 않을까 예상을 했는데, 약간의 신축성이 있을 뿐, 전체적으로 꽤 단단한 성질을 갖고 있습니다.

위 두개의 Negative Mold를 맞추면, 아래와 같은 모양이 되는데, 큰 구멍이 플라스틱 수지 투입구, 그 옆의 작은 구멍이 공기 배출구로 몰드 내에 기포가 생기지 않도록 하기 위한 구조입니다.

이 실리콘 몰드를 이용해 몇번에 걸쳐 테스트 제작을 했습니다. 역시 쉽지 않더군요.
가장 큰 문제는 역시 기포... 그리고 플라스틱 레진의 물성...

첫 테스트에선 플라스틱 레진의 물성을 파악하느라 일단 제작을 했는데, 물처럼 쫄쫄 흘러들어갈 줄 알았는데, 생각보다 점성이 높아서 생각처럼 흘러들어가질 않았습니다.

그래서, 플라스틱 주사기를 이용해 플라스틱 레진을 밀어넣는 방법을 사용했습니다.

그렇지만 부품의 크기가 작고 내부가 약간 복잡한 형태를 갖고 있어서, 기포가 구석 몇군데 남아서 부품을 망치는 상황이 계속 되었습니다.

아래 이미지가 테스트 결과물입니다. 좌측은 색소를 섞지 않은 순수 플라스틱 레진, 우측이 불투명 검은 색소를 섞은 결과물입니다.

렌즈 제거 버튼을 만드는 작업 순서는...

1. 몰드에 황동 핀을 끼워넣고...
2. 2형 몰드 두개를 결합해 놓습니다.
2. 레진을 용기에 따라내고, 거기에 무독성, 무반응 검은 색소를 섞어 검은 색을 먼저 냅니다.
3. 경화제를 같은 용량으로 잘 섞습니다.
6. 플라스틱 주사기를 이용해 몰드 안으로 플라스틱 혼합 레진을 밀어넣고.
7. 경화.

아래는 폴리우레탄 계열의 2형 레진입니다. 두개를 섞으면 위에서 봤던 연한 흰색의 플라스틱이 나옵니다.

여기에 무독성, 무반응 색소를 섞어, 불투명 검은 색의 플라스틱 레진을 만듭니다.

아래는 선반 작업으로 만든 황동 렌즈고정 핀입니다.

제작한 황동핀을 몰드에 끼워 넣습니다.

아래는 결과물의 비교입니다. 좌측이 기존 3D 프린터로 뽑아서 2차로 CNC가공을 거치고, 외형을 약간 매끄럽게 하기 위해, 아세톤에 2초간 넣다 뺀 후에 황동핀과 결합한 결과물이고, 우측이 이번에 몰딩 작업으로 제작한 결과물입니다.

품질은 일단 비교가 안될 정도로 우수하고, 황동핀과의 결합도 접착제로 한것과 완전히 몰딩 속에 묻어버린 것과는 역시 비교가 안될 정도로 우수합니다. 정밀도도 더 높고, 플라스틱의 강성도 훨씬 강합니다.

문제는 저 기포를 어떻게 잡느냐는 것이 관건입니다.

이 문제를 뒤로 한 체, 같은 방법으로 렌즈 접점 베이스 플라스틱 부품도 제작시도 해봤습니다.

아래는 16mm 접사튜브용과 24mm 접사튜브용 렌즈 접점 베이스 플라스틱 부품의 양형 몰드입니다.

아래는 접점 부분을 확대 해 본 것인데, 렌즈 접점 연장용 포고핀을 조립해 넣고, 나중에 저 또랑(?) 구조 속에 에폭시 또는 플라스틱 수지를 넣고 다시 굳혀서 고정하는 방법을 이용하기로 했습니다.

아래는 양형몰드를 이용해 실리콘 음형 몰드입니다.

진공용기에 넣어 제작하여 깨끗하게 잘 나왔습니다. 이를 이용해, 플라스틱 수지로 부품을 제작합니다. 아래는 굳히는 중...

아래 결과가 나왔는데... 역시 이전의 문제와 같은 일이 반복되었습니다. 사진에는 잘 나오지 않지만, 희뿌옇게 자잘한 기포들이 표면 전체를 뒤덮고 있습니다. 이건 그나마 잘 나온 것이고, 몇번 시도를 하다 보니, 분명 플라스틱 수지를 넣을 때는 기포가 없었는데, 제작이 완료된 후 뚜껑을 열어보면, 어김없이 기포들이 쫙~~~... 속된 말로 돌아버리겠더군요.

갖은 요령을 부려가면서, 최대한 기포가 들어가지 않도록 여러 방법을 사용했는데, 전혀 소용이 없었습니다.

아래 이미지는 그나마 깨끗하게 나온 것인데, 일단 표면 쪽으로 수많은 작은 기포는 당연하게 깔리고, 때로는 그것들이 큰 기포로 뭉쳐서 커다랗게 자리를 잡고 부품을 망치는 경우도 허다하게 생겼습니다.

4. 또 다시 유레카!!!! 가압용기 활용!!

인터넷 서핑중에 발견한 글인데, 바로 플라스틱 레진을 주형할 때, 가압상태를 유지해야한 다는 것이었습니다. 아래 링크가 원 정보글입니다.

www.instructables.com/id/Bu...

위 게시글에서 인용해 온 것이 아래 사진인데, 똑같은 플라스틱 수지를 주형하는데, 왼쪽이 가압상태로 주형을 한 것이고, 오른쪽이 그냥 주형을 한 것입니다. 보시다시피 가압하지 않은 플라스틱 수지는 수많은 작은 기포로 인해, 거의 희게 보일 지경이고, 가압상태로 주형 한 것은 거의 투명한 수준으로 기포가 전혀 보이지 않습니다.

가압 상태에선 기포의 크기가 압력으로 작아지거나, 아니면 사라지는 것을 이용하는 것입니다. 탄산음료가 압력상태로 있다, 병을 따는 순간 낮아진 압력으로 많은 기포가 발생하는 원리의 정확한 반대의 상황인 것입니다.

그럼, 가압상태로 주형을 하려면, 일단 가압상태를 만들어줄 에어컴프레서와 내압용기가 필요합니다.

그래서 발견한 글이, 아래입니다. 미국에 있는 Harbor Freight라는 공구관련 소매점이 있는데, 여기는 품질은 거시기 하지만, 가격은 상당히 저렴합니다. 일반적 주형에 사용하는 내압용기는 상당히 고가인데, 앞에서 언급한 Harbor Freight에서 판매하는 페인트 스프레이에 이용하는 내압용기를 약간 개조하면 취미가용으로 작은 크기의 내압용기로 변환을 쉽게 할 수 있습니다.

이에 대한 필요 부품을 정리한 한 것을 발견했습니다.

justhisandthat.blogspot.com...

위의 게시글을 참고하여 저도 내압용기를 제작하였습니다.

원래 Harbor Freight에서 판매하는 페인트 스프레이용 내압용기는 아래같이 생겼습니다.

이것을, 필요없는 부품을 제거하고, 내압용기에 필요한 몇가지 추가 부품을 구매하여 개조한 결과가 아래입니다..

5. 가압방식을 이용한 렌즈 접점 베이스 플라스틱 부품 제작

몰드 역시 새롭게 디자인해서, 좀더 가압 방식에 적합하도록 몰드의 디자인도 바꿨습니다.

중앙의 혼합 플라스틱 수지 투입구를 통해 바닥에서 부터 수지가 차오르고, 최종적으로 상부를 통해 공기가 빠져나가도록 디자인을 했습니다.

아래는 CNC를 이용해 제작 완성한 양형 몰드.

실리콘으로 Negative Mold를 만들기 위한 준비작업 중.

아래는 탈포작업을 위한 왼쪽의 진공펌프... 오른 쪽엔 진공용기 입니다.

혼합한 실리콘의 탈포작업을 위해 진공 용기 속에 위치...

진공펌프를 작동시키면, 실리콘이 끓어오르며(?) 혼합할 때 들어간 공기가 빠져나갑니다.

탈포작업을 마친, 실리콘을 몰드에 부어, 다시 탈포작업을 합니다.

아래는 12시간 후, 완성된 Negative Mold 입니다.

플라스틱 수지 혼합액을 투입할 준비를 마쳤습니다.

아래는 완성된 부품... 조금 커다란 기포가 보이는데, 그동안 괴롭혀왔던 작은 크기의 수많은 기포는 전혀 보이지 않습니다.

아래는 기존에 만들어놨던 몰드에 가압방식을 이용한 주형이 어떤 차이를 보일지 테스트 하기 위해, 똑같이 제작한 것입니다. 자잘한 기포는 전혀 보이지 않고, OHP 필름으로 표면에 맞닿은 플라스틱은 아주 예술입니다. 거울 같습니다.

기포가 없으니, 거울같은 표면을 가진 결과물입니다.

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이렇게 해서, 플라스틱 부품을 완성했습니다.

이렇게 보면 차이가 잘 보이지 않는데, 한번 확대해서 가압상태로 주형 한 것과 그렇지 않은 것과의 차이를 보겠습니다.

왼쪽이 가압상태로 완성한 플라스틱 부품이고, 우측이 그렇지 않은 부품입니다. 딱 보시기에도 엄청난 기포의 차이가 보입니다.

아래는 플라스틱 부품의 측면입니다. 왼쪽이 가압상태로 만들어진 부품. 오른쪽이 정상 대기압 아래에서 만들어진 것입니다. 딱 보셔도 미세한 기포들의 차이가 보입니다.

이제, 플라스틱 부품을 만들었으니, 어셈블리를 완성해봐야죠. 아래 접사튜브의 접점연장용으로 사용할 포고핀입니다.

위의 것은 원래 포고핀입니다. 이게 플라스틱 링과 결합해야 하기 때문에, 접속력을 높이기 위해, "줄"을 이용해 머리 부분을 비벼주면, 표면에 작은 홈들이 파입니다. 이것만으론 부족하기 때문에, 이번엔 니퍼로 헤드에 깊은 홈을 남깁니다. 이렇게 완성된 것이 아래의 포고핀입니다. 헤드는 거칠거칠하고, 깊은 홈이 파여져 있어서, 플라스틱과 결합력을 높여줄 것입니다.

일단 각 포고핀은 순간접착제로 구멍에 맞춰 임시로 붙여놓습니다. 그리고는 플라스틱 수지를 홈속에 주입합니다. 그리고 똑같이 이 부품을 다시 가압용기에 넣고, 가압상태로 4시간 놓습니다. 그럼 작은 틈에 까지 들어가서 아주 단단하게 고정이 됩니다. 거의 상용 플라스틱 인젝션으로 제작하는 플라스틱 비슷하게 제작이 되는 것입니다.

아래는 완성된 어셈블리입니다.

아래는 이 플라스틱 부품을 만드는 동영상입니다. 조명이 영 꾸져서... 영상 품질이 매우 삐리리합니다.

아래 동영상은 이렇게 완성된 플라스틱 부품에 접점 연장용 포고핀을 조립하는 모습을 보여줍니다.

아래 이미지는 이렇게 해서 완성된 접점 어셈플리의 모습입니다. 좌측은 완성된 부품들... 우측은 아직 포고핀하고 조립하지 않은 플라스틱 부품입니다.

6. 가압방식을 이용한 렌즈 제거 버튼 제작

앞 선 제작으로 플라스틱 주형 제작에 어느정도 자신감이 붙어서, 내친 김에 렌즈 제거 버튼도 기존에 제작하던 방법에서 약간 변경하였습니다.

- 핀의 지름을 기존, 1.8mm에서 2mm로 변경하였습니다. 순정 부품을 다시 측정했는데, 역시 1.8mm 가 아닌 2mm 가 맞았습니다. 기존에 약간 유격이 있던 것이 더욱 밀착되어 접점의 안정성이 좀더 좋아졌습니다.

- 기존 3mm 황동 막대를 선반에서 수동으로 가공하여 1.8mm 지름으로 만들어 사용하던 것을, 이번 플라스틱 주형을 하게 되면서, 아예 2mm 황동 막대를 선반에서 알맞은 크기로 절단만 하도록 하였습니다. 대신, 플라스틱 레진과 결합 할 때, 충분한 결합력이 나오도록 하기 위해, 공구를 이용해 플라스틱에 매몰되는 부분에 홈을 여러군데 파도록 하여 결합력을 더욱 높였습니다.

아래 이미지는 지름 2mm 황동 막대로 만든 렌즈 고정용 핀의 모습입니다.