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1. 개요

3D펜은 3D프린터를 펜 모양으로 만든 것으로 노즐을 가열하여 필라멘트를 압출하는 펜입니다.

어려운 기술 없이 바로 사용할 수 있으며, 상상하는 대부분의 3D 창작물을 만들 수 있어서  3D프린팅 교육을 넘어 교과 연계수업, 예술의 한 영역 등으로 다양한 쓰임새를 보이고 있습니다.


가장 먼저 만들어진 3D펜은 워블웍스사의 3Doodler(쓰리두들러)라는 제품인데 처음에는 3D프린팅 결과물을 접착하는 용도를 고안하다가 만들어 졌다고 합니다. 



2. 동작원리

3D펜은 모터 달린 글루건으로 이해하면 쉽습니다. 일반적으로 우리가 사용하는 글루건은 방아쇠같은 손잡이를 눌러서 글루를 이동시키지만 3D펜은 모터를 이용하여 필라멘트를 이동시키는 것 뿐이니까요.

(3D프린터도 손 대신 모터가 3D펜을 이동시키는 것 뿐이지요^^)


아래 사진처럼 모터가 기어를 회전시키면 필라멘트를 이동시킬 수 있게 됩니다.

그래서 나중에 필라멘트를 빼보면 기어자국이 필라멘트에 남아있는 것을 볼 수 있습니다.



3D펜의 핵심인 노즐부입니다.
히터가 열전도가 잘되는 황동을 히터가 감싸고 있고 이 히터에 전원과 온도센서가 연결되어 있습니다.
지정한 온도 이상이 되면 센서가 감지하여 전원공급을 차단하고, 필라멘트를 녹이기 위해 열을 사용하여 온도가 내려가면 전원을 공급하여 온도를 일정한 온도를 유지하게 되는 것이지요.
필라멘트를 녹일 수 있는 적정한 온도가 되었을 때 전/후진 버튼을 눌러 위 사진에서 본 모터를 회전시키면 테프론튜브를 따라 필라멘트가 들어와서 노즐을 통해 토출되게 됩니다.

간단하지요^^

2.1. 기본 동작 원리


2.2.


3. 3D펜의 종류 및 특징


3.1. 재료에 따른 특징

필라멘트는 ABS, PLA, PCL, FLEXY, WOOD, METAL, NYLON 등 다양하지만, 실제 가장 많이 쓰이는 것은 PLA이며 최근 3D펜이 교육용으로 많이 활용되면서 저온의 PCL 필라멘트 사용이 늘고 있습니다.

PLA와 PCL은 모두 무독성의 친환경 소재로 입에 넣고 빨아도 안전하며, 폐기시 분해가 되는 생분해성 플라스틱으로 교육용으로도 매우 적당합니다.


1. 출력 온도에 따른 특징

PLA는 180~200도, PCL은 50~60도 정도에서 압출을 하게 됩니다.


 1) 안전

당연히 PCL이 안전합니다. 손목에 직접 팔찌를 그려넣을 수도 있으니까요. PLA를 사용하면 장갑 등의 보호장비와 사용 전 안전교육이 필수입니다. 실제로 화상 사고가 나는 경우는 드물고, 큰 사고는 아니지만, 그래도 안전은 중요합니다.    


 2) 출력 속도

PLA가 고온을 사용하다보니 아무래도 PCL에 비하여 출력속도가 빠릅니다. 필라멘트를 녹이기 위해 열을 사용하고, 사용된 만큼 다시 온도를 올리는 것이 PLA가 유리하기 때문입니다. 예를 들어 온도에서 6~7도가 차이난다고 하는 것은 PLA는 약 3%정도의 온도차이니 필라멘트가 200도에 녹는 것이 갑자기 194도가 된다고 안 녹는 것은 아니니까요. PCL의 경우는 적정 온도의 10% 차이니 토출에 당연히 영향을 미치겠지요. 그래서 대부분 PLA용 3D펜이 출력속도가 더 빠릅니다.


 3) 막힘 증상 

PLA가 PCL보다 온도에 의한 막힘 증상이 많습니다.

3D펜이나 3D프린터나 아래 사진처럼 필라멘트를 직접 녹이고 온도를 체크하는 부분 위쪽으로는 필라멘트가 고체상태로 존재하여야 합니다. 고체로 존재해야하는 부분까지 녹아버리면, 그 녹은 필라멘트가 테프론 튜브에 붙게 되고, 이 후, 다시 출력할 때 온도체크는 아래 황동부에서 하니 테프론튜브에 붙어있는 필라멘트가 녹지 않아 막혀있는데 계속 필라멘트를 밀어넣게 되는 형국이 됩니다. 심한 경우는 테프론 튜브마저 변형이 생기기도 하구요.

그래서, 3D프린터는 이 부분에 방열판을 달고 팬을 회전시켜서 계속냉각을 시켜줍니다. 3D펜의 경우는 노즐 부위를 공기와 최대한 접촉시켜주는 것이 전부여서 온도가 올라가 있는 상태에서 사용하지 않고 있으면 위와 같은 내용으로 막히게 됩니다. PCL 필라멘트의 경우는 저온으로 이렇게 되는 경우가 매우 적습니다.



 4) 굳는 속도
PLA가 당연히 굳는 속도가 빠릅니다. 그래서 입체 모양을 직접 쌓아 올릴 때 유리합니다. PCL는 굳는 속도가 느립니다. 온도도 낮기 때문에 출력 후 손으로 만지면서 모양을 다듬을 수 있습니다.

2. 재질에 대한 차이
PLA는 굳고 난 뒤 딱딱하고 휠 수 없으며, 유광이 많고, PCL는 굳고 난 뒤 어느정도 말랑하여 휠 수 있으며 무광이 많습니다. 예를 들어 팔찌를 만들 때. PLA는 동그랗게 만들어야 하고, PCL은 아래 사진처럼 만들어 시계처럼 찰 수 있습니다.


3.2. 펜 기능 및 기타 특징

1. 막힘 증상을 해결하기 위한 펜 개폐기능

대다수의 펜은 뒤 뚜껑을 열기 어렵게 되어 있습니다. 제가 현재까지 본 펜 중에는 XYZ다빈치 쿨이 유일하게 원터치로 펜을 열어 내부를 볼 수 있게 되어 있고, 다른 펜들은 복잡한 과정을 거쳐야 열 수 있습니다.


2. 리트랙션 기능

3D프린터는 필라멘트 토출을 중지하고 이동하는 때에 모터가 회전하지 않아도 필라멘트가 흘러나와 거미줄 같은 것이 생기는 것을 막기 위해 리트랙션 기능이 있습니다. 간단하게 필라멘트를 일정 부분 뒤로 밀어내는 것입니다.  

(3D프린터 리트랙션 기능에 대하여 잘 포스팅 된 글^^https://seoulworkshop.blog.me/221417889007 )

PLA의 경우 온도가 높기 때문에 온도가 올라간 상태에서 사용하지 않고 있는 시간이 길어지면 막히게 될 확률이 높다고 말씀드렸는데, 이 리트랙션 기능을 응용하여 사용하지 않을 때는 필라멘트를 고체로 있어야 하는 부분까지 밀어놓는 것입니다. 이 기능은 온도에 의한 펜의 막힘을 현저하게 줄일 수 있습니다. 다만, 다시 출력을 재개할 때 뒤로 간 만큼 앞으로 나오는 약간의 시간이 필요합니다. 이 기능은 현재 선루에서 나온 3D펜에서 확인할 수 있습니다.



3. PLA, PCL 겸용

온도 조절 기능을 통해 PLA와 PCL을 모두 쓸 수 있는 펜이 있습니다. 관리의 측면에서 보면 두개의 필라멘트를 모두 쓸 수 있다고 하여도 사용할 필라멘트는 하나로 정하여 사용하는 것이 좋습니다. 

굳이 두개를 다 사용한다면, PCL을 쓰다가 PLA를 사용하면 아무문제가 없지만, PLA를 사용하다가 PCL을  사용할 때는 처음 필라멘트 로딩 시 PLA온도 맞추고 나서 PCL필라멘트를 넣은 다음 노즐에 남아 있는 PLA필라멘트가 다 빠져나올 때까지 계속 로딩을 시켜주어야 합니다. 그런 뒤에 PCL온도에 맞추어 온도를 내려야 막힘없이 사용할 수 있습니다.


4. 전원 공급

전원은 USB케이블을 이용하여 전원을 공급할 수 있는 펜이 활용이 좋습니다. 220V의 경우 멀티탭을 준비해야하는 불편함이 있습니다. USB케이블을 사용할 경우 여러포트을 가진 USB충전기나 보조배터리를 이용하면 깔끔하게 3D펜 활동 준비가 가능합니다.


 
5. 가격
약 2만원부터 3D펜을 구입할 수 있습니다. 저가의 3D펜은 사용하지 않을 때 전원을 꺼놓거나, 필라멘트를 조금 후진 시켜놓으면 막힘 증상을 줄일 수 있으니 관리를 잘 해 주시면 됩니다. 좋은 기능의 펜은 당연히 가격이 높습니다. 

4. 3D펜 콘텐츠


4.1. 3D펜 기본 사용방법

4.1.1. 2D로 시작하기


간단한 선, 도형 등을 따라 그리면서 3D펜에 익숙해집니다.

3D프린터에서 첫 레이어의 Z축 오프셋이 중요하듯이 도안지와 노즐의 간격이 적당하여야 도안지에 잘 붙어 있는 상태로 그릴 수 있습니다.


시작하는 점은 필라멘트 압출 후 1초 정도 기다려서 필라멘트 양을 조금 많게 하여 도안지에 잘 고정되도록 하고 이후 선을 따라 그립니다.  마지막 지점은 필라멘트를 멈추고 2~3초 기다린 후 펜을 떼어내면 좋습니다.


4.1.2. 3D로 바로 그리기


바로 3D 형태로 그리는 방법입니다. 역시 시작하는 점은 필라멘트 압출 후 1초 정도 기다려서 필라멘트 양을 조금 많게 하여 바닥에 잘 고정되도록 한 후 그립니다.



 


4.1.3. 2D파츠를 조립하기


가장 많이 활용하는 방법 중 하나로 2D로 부품 파츠를 만든 후 조립하는 방법입니다. 파츠와 파츠를 붙이는 방법은 3D펜으로 마치 용접하듯이 붙이면 됩니다.



4.1.4. 틀 이용하기


구를 만들 때 공을 이용하거나, 종이컵을 이용하여 초 받침대를 만드는 등 여러가지 물건을 금형처럼 이용하는 방법입니다.  


 

4.1.5 표면 다듬기


표면을 매끄럽게 하는 방법은 3D펜으로 만든 후 온도를 올려 필라멘트를 녹이며 틈을 채우는 것입니다.

가장 많이 사용하는 방법은 인두기를 이용하여 다듬는 방법입니다. 평면으로 제작된 3D 모형은 오븐에 굽는 방법도 있습니다. 

인두로는 저온 필라멘트는 PCL 표면을 다듬는 것은 어렵겠지요^^ 



4.2. 3D펜 도안

4.2.1. 간단한 체험활동 도안




4.2.2. 3Doodler 자료실 가기


최초의 3D펜 3Doodler 홈페이지에서 막강한 수업 및 스텐실 자료를 제공합니다.



 

 자료실 링크 : https://learn.the3doodler.com/resources/

5. 제품 소개 및 구매 링크

3D펜을 구매하실 때 고려해볼 사항 정리해 봅니다^^


 

5.1. [저온] XYZprinting 3D펜 쿨

저온 PCL 필라멘트를 사용합니다.

케이스 뒷면에 있는 작은 고정볼트를 제거하면 손 쉽게 열어 내부를 볼 수 있어서 자가수리를 손쉽게 할 수 있습니다. 


제품 구성 : 3D펜, USB 케이블, 드로잉판, 테스트용필라멘트 (1m * 6 컬러), 도안집


10인용 스쿨패키지가 있습니다.

필라멘트는 8m * 9 컬러(녹색, 형광연두, 흰색, 노랑, 주황, 빨강, 파랑, 보라, 검정)가 들어 있습니다.
수업형태와 숙련도에 따라 다르지만 대부분 25명 내외 한 반에서 3시간 정도 수업을 하면 2롤 이내를 사용합니다.






구매링크

5.2. [겸용] 선루 SL-300A


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