3D 프린터로 부품을 직접 제작하다 보면 두 개의 부품을 서로 결합해야 하는 경우가 있습니다. 이때 흔히 사용하는 방법 중 하나가 나사산을 이용한 결합입니다. 별도의 너트나 볼트를 사용하지 않고 출력물 자체에 나사산을 만들어 서로 돌려 끼울 수도 있기 때문에 케이스, 뚜껑, 고정용 부품 등 다양한 형태에 활용할 수 있습니다.
하지만 일반적인 기계 가공으로 만드는 나사산과 3D 프린터로 출력하는 나사산은 설계할 때 고려해야 할 부분이 다릅니다. 특히 FDM 방식에서는 노즐의 크기와 레이어 높이, 재료가 쌓이는 방식 때문에 아주 작은 나사산을 그대로 모델링하면 실제 출력물에서 나사산이 제대로 형성되지 않을 수 있습니다.
따라서 3D 프린터용 나사산을 설계할 때는 단순히 CAD 프로그램에서 나사산을 만드는 것보다 출력 가능한 크기와 결합을 위한 여유 공간을 함께 고려하는 것이 중요합니다.
1. 3D 프린터에서 나사산을 만들 수 있을까?
결론부터 말하면 가능합니다.
3D 프린터로 외부에 나사산이 있는 수나사와 내부에 나사산이 있는 암나사를 모두 제작할 수 있습니다.
예를 들어 원통형 뚜껑을 만든다면 뚜껑 안쪽에 암나사를 만들고 본체 바깥쪽에 수나사를 만들어 서로 돌려서 결합하는 구조를 만들 수 있습니다.
이 방식의 장점은 별도의 체결 부품을 사용하지 않고도 두 출력물을 직접 결합할 수 있다는 것입니다.
다만 모든 나사산이 동일하게 출력되는 것은 아닙니다.
나사산의 크기가 너무 작거나 피치가 지나치게 촘촘하면 노즐이 만들어낼 수 있는 형상보다 세밀해져서 나사산이 뭉개지거나 서로 제대로 맞물리지 않을 수 있습니다.
따라서 3D 프린터에서 나사산을 사용할 때는 나사산 자체의 크기뿐 아니라 프린터가 표현할 수 있는 최소 형상까지 고려해야 합니다.
2. 수나사와 암나사는 어떻게 다를까?
나사산은 크게 외부에 만들어지는 것과 내부에 만들어지는 것으로 구분할 수 있습니다.
수나사는 원통의 바깥쪽에 나사산이 돌출된 형태입니다. 일반적인 볼트의 바깥쪽 나사산을 생각하면 이해하기 쉽습니다.
반대로 암나사는 구멍의 내부에 나사산이 만들어진 형태입니다. 일반적인 너트의 내부 나사산과 비슷한 구조입니다.
두 부품을 직접 출력한다면 수나사의 외경과 암나사의 내경이 적절하게 맞아야 합니다.
여기서 중요한 것이 여유 공간입니다.
CAD에서 두 나사산을 정확하게 맞물리도록 설계했다고 하더라도 실제 출력물에서는 재료가 이상적인 CAD 형상과 완전히 동일하게 만들어지지 않을 수 있습니다.
특히 암나사의 골 부분이나 수나사의 끝부분처럼 작은 형상에서는 출력 과정에서 재료가 조금씩 퍼지거나 세부 형상이 충분히 표현되지 않을 가능성이 있습니다.
3. 나사산의 피치도 중요하다
나사산을 설계할 때 자주 등장하는 용어가 피치(Pitch)입니다.
피치는 인접한 나사산 사이의 간격을 의미합니다.
피치가 크면 나사산 사이의 간격이 넓어지고, 피치가 작으면 나사산이 촘촘하게 만들어집니다.
3D 프린팅에서는 너무 촘촘한 나사산이 항상 좋은 것은 아닙니다.
작은 피치의 나사산은 세밀한 형상을 만들어야 하기 때문에 프린터가 충분히 표현하지 못할 가능성이 있습니다. 반대로 적절한 크기의 피치를 사용하면 나사산의 형상이 비교적 명확하게 출력되고 조립하기도 쉬워집니다.
따라서 작은 부품을 제작한다고 해서 무조건 작은 나사산을 사용하는 것보다는 프린터의 출력 해상도와 실제 사용 목적을 함께 고려하는 것이 좋습니다.
4. CAD에서 완벽하게 맞는 나사산을 만들면 오히려 문제가 생길 수 있다
3D 모델링 프로그램에서는 수나사와 암나사를 정확한 규격에 맞춰 설계할 수 있습니다.
문제는 실제 출력입니다.
3D 프린터에서는 노즐에서 나온 필라멘트가 한 층씩 적층되기 때문에 CAD 모델에 표시된 모든 부분이 이론적으로 완벽하게 재현되는 것은 아닙니다.
예를 들어 암나사의 내부 공간이 너무 좁으면 출력 과정에서 일부 재료가 내부 공간을 침범할 수 있습니다.
그 결과 CAD에서는 분명히 들어가도록 설계했지만 실제 출력 후에는 나사가 잘 돌아가지 않는 상황이 발생할 수 있습니다.
따라서 서로 결합하는 두 부품을 설계할 때는 완전히 딱 맞는 치수보다는 출력 특성을 고려한 여유 공간을 두는 것이 중요합니다.
다만 필요한 여유 공간의 정확한 값은 프린터, 노즐, 재료, 출력 설정 및 모델 형태에 따라 달라질 수 있으므로 모든 프린터에 동일한 숫자를 적용하는 것은 적절하지 않습니다.
5. 너무 작은 나사산은 피하는 것이 좋다
3D 프린터용 나사산에서 가장 흔하게 발생하는 문제 중 하나가 나사산의 크기가 지나치게 작은 경우입니다.
나사산의 높이나 폭이 너무 작으면 한 번의 출력 레이어에서 충분히 형상을 만들기 어려울 수 있습니다.
특히 작은 직경의 부품에서 촘촘한 나사산을 사용하면 나사산의 골과 산이 제대로 구분되지 않고 표면이 뭉친 것처럼 출력될 수도 있습니다.
따라서 작은 부품에 나사산을 적용해야 한다면 먼저 나사산의 크기와 피치를 충분히 확보할 수 있는지 확인하는 것이 좋습니다.
실제로 사용할 부품이라면 처음부터 최종 크기로 출력하기보다 간단한 나사산 테스트 모델을 만들어 결합 상태를 확인하는 방법도 효율적입니다.
6. 출력 방향에 따라서도 나사산 품질이 달라질 수 있다
나사산을 어떻게 출력할 것인지 결정할 때는 출력 방향도 중요합니다.
원통형 부품을 세워서 출력하면 원형 단면을 여러 레이어에 걸쳐 쌓으면서 나사산을 형성하게 됩니다.
반면 부품을 눕혀서 출력하면 나사산의 형태와 레이어 방향이 달라지고, 경우에 따라 서포트가 필요한 부분이 발생할 수 있습니다.
따라서 나사산이 포함된 부품은 단순히 모델이 베드에 잘 올라가는지를 보는 것뿐만 아니라 나사산의 형상을 최대한 깔끔하게 만들 수 있는 방향인지 확인해야 합니다.
특히 나사산 자체가 결합 기능을 담당한다면 출력 방향을 결정할 때 해당 부분을 우선적으로 고려하는 것이 좋습니다.
7. 암나사는 특히 내부 형상을 확인해야 한다
암나사를 만들 때는 외부에서 쉽게 확인할 수 있는 수나사보다 주의할 부분이 많습니다.
내부에 만들어진 나사산은 출력이 끝난 뒤 눈으로 확인하기 어렵고, 작은 공간에 필라멘트가 쌓이면서 예상보다 좁아질 수 있습니다.
또한 내부에 서포트가 생성되는 구조라면 서포트 제거 과정에서 나사산이 손상될 가능성도 고려해야 합니다.
따라서 가능하면 암나사 내부에 불필요한 서포트가 생기지 않는 방향과 구조를 우선적으로 검토하는 것이 좋습니다.
8. 처음부터 완성품을 출력하지 말고 테스트하는 방법
나사산이 있는 부품을 처음 제작한다면 전체 부품을 바로 출력하는 것보다 나사산 부분만 포함된 작은 테스트 모델을 먼저 만들어보는 것이 좋습니다.
예를 들어 실제 제품의 나사산 길이가 20mm라면 처음부터 전체 제품을 출력하기보다 나사산 부분을 짧게 잘라 테스트 모델을 만들 수 있습니다.
테스트 출력에서는 다음 항목을 확인합니다.
- 수나사와 암나사가 실제로 결합되는가?
- 손으로 돌렸을 때 지나치게 뻑뻑하지 않은가?
- 너무 헐겁지는 않은가?
- 나사산의 끝부분이 깨지지 않는가?
- 출력 후 별도의 후가공이 필요한가?
테스트 결과가 좋다면 같은 조건을 실제 부품에 적용할 수 있습니다.
이 방법은 특히 큰 부품에서 유용합니다. 완성품 전체를 출력한 뒤 나사산이 맞지 않는 것을 발견하면 시간과 필라멘트를 다시 사용해야 하기 때문입니다.
9. 나사가 뻑뻑할 때 확인할 부분
출력한 수나사와 암나사가 서로 잘 맞지 않는다면 무조건 나사산 자체의 문제라고 생각할 필요는 없습니다.
먼저 다음 항목을 확인하는 것이 좋습니다.
첫째, 나사산 사이의 여유 공간
두 부품의 간격이 너무 작으면 출력 오차 때문에 서로 간섭할 수 있습니다.
둘째, 나사산의 표면 상태
출력 과정에서 나사산 일부가 거칠게 형성되거나 작은 잔여물이 남아 있을 수 있습니다.
셋째, 출력 방향
나사산이 출력되는 방향에 따라 표면 형상이 달라질 수 있습니다.
넷째, 나사산 크기
너무 작은 나사산이라면 현재 출력 조건에서 형상을 제대로 구현하지 못할 가능성이 있습니다.
이러한 문제를 확인한 뒤 필요한 부분을 수정해서 다시 테스트하는 것이 좋습니다.
마무리
3D 프린터로 나사산이 포함된 부품을 제작하는 것은 충분히 가능하지만, 일반적인 볼트나 너트처럼 규격만 맞추면 항상 완벽하게 결합되는 것은 아닙니다.
특히 FDM 방식에서는 노즐을 통해 재료를 한 층씩 쌓기 때문에 나사산의 크기, 피치, 출력 방향, 부품 사이의 여유 공간 등을 함께 고려해야 합니다.
수나사와 암나사를 직접 출력할 때는 CAD에서 정확하게 맞물리도록 만드는 것만큼이나 실제 프린터에서 구현할 수 있는 형상인지 확인하는 과정도 중요합니다.
처음 사용하는 나사산이라면 작은 테스트 모델을 먼저 출력하고 결합 상태를 확인하는 방법이 가장 효율적입니다. 테스트 결과에 따라 여유 공간이나 나사산 크기를 조정하면 완성품을 반복해서 출력하는 과정에서 발생하는 필라멘트와 시간을 줄일 수 있습니다.
결국 3D 프린터에서 좋은 나사산을 만들기 위해서는 “CAD에서 맞는 치수”와 “실제로 출력했을 때 맞는 치수”가 다를 수 있다는 점을 이해하는 것이 핵심입니다.
나사산의 크기와 피치를 적절하게 선택하고, 출력 방향과 결합 여유를 함께 고려한다면 별도의 체결 부품을 사용하지 않고도 실용적인 나사식 구조물을 제작할 수 있습니다.