3D 프린팅 기어 마스터하기: 전문가 팁과 완벽 가이드

스퍼 vs 헬리컬 vs 헤링본 기어

3D 프린팅 기어의 세계에서는 제조 난이도와 비용이 기존 제조업과 완전히 달라집니다. 스퍼(평기어), 헬리컬(사선기어), 헤링본(더블 헬리컬) 기어 모두 3D 프린터로 레이어별 적층 제작 시 난이도 차이가 거의 없습니다. 따라서 제조 비용 대신 각 기어 타입의 본질적 장단점인 강도, 효율, 백래시, 소음, 축방향 힘, 조립성 위주로 비교합니다.

기어 타입별 특성

• 스퍼 기어: 치형이 축과 평행한 직선. 가장 단순하고 효율이 높음(접촉면이 직선, 최소). 하지만 치형 맞물림이 급격해 충격 하중 발생 → 소음/진동 큼, 내구성/하중 용량 상대적 불리.
• 헬리컬 기어: 치형이 축과 각도(헬릭스 앵글 15~25°)를 이룸. 맞물림이 점→선→점으로 점진적 → 부드럽고 조용, 고하중/고속 적합, 수명 긺. 다수 치아가 동시 맞물려 하중 분산. 단점: 경사 치형으로 인한 축방향 힘(추력) 발생 → 베어링/하우징 설계 시 고려 필수.
• 헤링본 기어: 좌우 헬릭스 앵글이 반대인 헬리컬 기어 결합. 축방향 힘 상쇄 → 헬리컬 장점 유지하며 추력 없음. 단점: 조립 난이도 급증. 스퍼/헬리컬은 축에 슬라이드 장착 가능하지만, 헤링본은 기어 맞물림 후 축 삽입 또는 동시 장착 필요.

기어 설계

설계는 Onshape(전문가급 클라우드 CAD/PDM, 엔지니어/기업 최대 6개월 무료)에서 'Spur Gear' FeatureScript로 진행. 모듈, 치수, 폭, 챔퍼, 센터 보어, 헬리컬 옵션(앵글, 방향), 더블 헬릭스(헤링본) 옵션, 백래시용 프로파일 오프셋 등 모두 지원.

출력은 Creality K1C로 진행. 치수 정밀 부품 출력 시 슬라이서의 '수평 확장(Horizontal Expansion)' 필수. 필라멘트 팽창 보정용으로 -0.15mm 적용(프린터별 테스트 프린트로 최적값 탐색 필요).

엘리펀트 풋(Elephant's Foot) 방지 필수: 베드 레벨링 오차로 노즐이 베드에 너무 가까우면 첫 레이어 압착 → 치수 부정확. 베드 레벨링 재조정 또는 슬라이서 G-code 오프셋(제 경우 +0.1mm) 보정. 래프트 사용 또는 기어 모서리 수동 챔퍼링도 대안.

Creality K1C는 고속/고품질 출력에 탁월한 올인원 프린터입니다. 공식 스토어 참조.

테스트 1: 소음 레벨과 효율

12V DC 모터(20치, 모듈 2.5 스퍼 기어 장착) → 동일 스펙 기어 구동. 전압 고정 시 전력 소모로 효율 비교.

• 스퍼: 77dB, 5.36~5.61W (최고 효율, 최대 소음)
• 헬리컬: 75dB, 5.61~5.85W
• 헤링본: 74dB, 5.61~6.1W (최저 소음, 최저 효율)

이론과 부합: 스퍼가 최고 효율/최대 소음, 헬리컬/헤링본은 효율 낮으나 정숙.

테스트 2: 백래시 (단일 기어 맞물림)

한쪽 기어 고정, 다른 쪽 베어링 지지 회전. 모듈 2.5, 동일 출력 조건. 10cm 거리 양방향 총 유격 측정.

• 스퍼: 약 2.5mm
• 헬리컬: 약 1.5mm (최소)
• 헤링본: 약 1.8mm

예상대로 스퍼 백래시 최대, 헬리컬/헤링본 우수. 하지만 단순 맞물림 테스트만으론 부족해 4단 감속기(16:1) 테스트 추가.

테스트 3: 16:1 4단 감속기 백래시

NEMA 17 스테퍼, 2:1 4단 구성(구동 17치, 피동 34치, 모듈 1.5). 5N 기준 하중에서 10cm 거리 변위 측정 → 아크분 환산.

• 스퍼: 총 변위 4.4mm → 약 2.52° → 151 아크분
• 헬리컬: 총 변위 5.1mm → 175 아크분
• 헤링본: 총 변위 4.9mm → 168 아크분

결과 역전: 단일 맞물림과 달리 감속기에서 스퍼 백래시가 가장 작음. 원인 분석:

1. 축이 한쪽만 지지되어 하중 시 휘어짐 → 측정 영향
2. 베어링-기어 결합 유격 존재. 테이프로 보정 시도했으나 기어별 편차 불가피
3. 베어링 홀을 작게 프린트해 압입하면 축 정렬 불량으로 저항 증가 우려

테스트 4: 감속기 효율

동일 전압에서 출력 힘/토크 측정.

• 스퍼: 최대 32N
• 헬리컬: 최대 28N
• 헤링본: 최대 30.4N

스퍼가 최고 효율이나 격차 미미.

어떤 3D 프린팅 기어가 더 강한가?

포스 미터로 20cm 암에 하중 가해 기어 파손점 측정. 동일 필라멘트/슬라이싱 조건.

• 스퍼: 190N(38Nm) 파손. 치형 아닌 인필/내부 파손
• 헬리컬: 213N(42.6Nm)
• 헤링본: 152N(30.4Nm)

모두 내부 파손이라 치형 강도 비교 불가. 치형 약화 위해 모듈 2, 폭 12mm, 암 30cm로 재시험.

• 스퍼: 116N(34.8Nm) → 치형 파손 (고정 기어 볼트 휘어짐으로 접촉점이 치끝으로 이동, 강도 저하 유발. 동일 조건이므로 비교 가능)
• 헬리컬: 112N(34Nm) → 스퍼와 유사
• 헤링본: 120N(36Nm) → 최고 강도

세 타입 간 강도 차이는 크지 않음. 헤링본이 근소하게 우위. 16:1 감속기 테스트에서 체감된 실질적 차이는 진동 레벨뿐: 스퍼 현저한 진동, 헬리컬/헤링본 매우 부드러움.

최종 결론

스퍼 기어는 지양, 헤링본 기어 적극 활용, 헬리컬 사용 시 축방향 힘 수용 가능한 볼 베어링 필수.

3D 프린팅 기어의 최적 모듈은?

모듈(치형 크기 정의)에 따른 성능 테스트. 헤링본 기어, 동일 설정, 모듈 1~2.5 5단계.

• 모듈 1 (50치): 98.3N(29.5Nm) 파손, 양측 치형 파손
• 모듈 1.25 (40치): 126N(37.8Nm) 파손
• 모듈 1.5 (33치): 108N(32.4Nm) 파손. 고정 기어 볼트 기휘어짐으로 치끝 접촉 → 강도 저하 영향
• 모듈 2 (25치): 149N(44.7Nm) 파손
• 모듈 2.5 (20치): 121N(36.3Nm) 파손. 기어 전체 파손(인필 30% 추정). 45% 인필도 동일. 100% 인필도 124N 동일 → 필라멘트 노후/습기/브랜드/색상 차이 영향 큼. Creality Hyper PLA 100% 인필로 재출력 시 156.4N(47Nm) 치형 파손으로 강도 향상 확인.

요약: 모듈(치형 크기) 클수록, 폭 넓을수록 강도 ↑. 인필 최소 35% 권장, 필요 시 100%. 월 라인 수(Wall line count) 5줄 이상이 인필보다 더 중요할 수 있음.

가장 강한 3D 프린팅 기어 소재는?

스퍼 기어(모듈 1.5)로 6종 필라멘트 파손 테스트.

• PLA: 116.9N(35Nm) - 최고 강도, 최고 강성
• PLA-CF (Creality): 111N - PLA 대비 약간 낮음
• ABS: ~90N - 강도 낮으나 파단 전 변형/휘어짐 거동(인성 양호)
• ASA: 120.9N - PLA 수준 강도 + ABS 같은 변형 거동 겸비. 균형 최적
• PETG: 87.2N - 변형 후 파단, 강도 낮음
• 나일론(PAL): 66N - 최저. 하지만 구매 1년 경과, 출처 불명 저품질 필라멘트 탓. 제대로 된 나일론은 더 강할 것.

결과는 Simplify3D 필라멘트 물성표와 잘 일치. PLA 최대 강도/강성, ASA는 동급 강도에 낮은 강성(인성 보유).

내구성

16:1 감속기로 장시간 구동 내구 테스트 시도했으나, 기어들이 예상외로 견뎌 1시간 이상 버팀. 소음 문제로 테스트 환경상 장기 수행 불가. 추후 재시도 예정. 당분간 위 물성표 참고 권장.

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