DIY CNC 라우터를 제작할 때 가장 큰 난관은 강력한 모터를 구하는 것이 아니라, 강성을 확보하는 것입니다. 일반적인 알루미늄 압출 프로파일은 휘어지거나 진동하기 때문에, 금속을 밀링할 때 표면 마감이 나빠지고 정밀도가 떨어집니다.
상용 기계들은 무거운 주철이나 고가의 에폭시 화강암을 사용하는 반면, 초고성능 콘크리트(UHPC)는 그 비용의 극히 일부만으로 진동을 효과적으로 흡수하는 거대한 대안을 제공합니다.
이 인스트럭터블에서는 간단한 목재 틀에 UHPC를 부어 견고한 CNC 프레임을 제작하는 방법을 소개하겠습니다. 거친 콘크리트와 고정밀 리니어 레일 사이의 간극을 메우기 위해, 모래가 섞인 에폭시 페이스트를 사용하여 정밀 연마된 알루미늄 마운팅 스트립을 경화된 프레임에 직접 접착할 것입니다.
사진에 대한 참고 사항: 안타깝게도 처음에 이 작품을 만들 때 ‘인스트럭터블’을 작성할 계획은 없었기 때문에, 모든 단계에 대한 사진이 있는 것은 아닙니다. 실제 사진이 없는 부분에는 대신 구성과 과정을 명확하게 보여줄 수 있도록 CAD 렌더링 이미지를 포함시켰습니다!
프로젝트 주요 내용
다음과 같은 준비물이 필요합니다:
개인 안전:
자료:
도구 및 장비
에폭시 화강암, 용접 강재, 알루미늄 압출재를 검토한 끝에 초고성능 콘크리트를 선택했습니다. 이 소재는 강성, 진동 감쇠, 질량, 그리고 저렴한 비용 면에서 가장 이상적인 조합을 제공했습니다.
콘크리트를 타설하기 전에 모든 부품이 완벽하게 조립될 수 있도록, 기계의 전체 형상, 금형 배치 및 내부 간극을 Autodesk Fusion 360에서 모델링하고 정밀하게 조정했습니다.
저는 Dyckerhoff Nanodur 기술을 기반으로 한 프리믹스인 TEGNO를 사용했습니다. 이 소재는 약 50 GPa의 강성을 보이며, 이는 알루미늄(70 GPa)에 놀라울 정도로 근접한 수치이지만, 진동 감쇠 성능은 훨씬 뛰어나고 킬로그램당 원료 알루미늄의 약 1/10 수준에 불과합니다. 직접 만든 에폭시 화강암은 제외되었습니다. 산업용 진동 장비를 사용할 수 없는 한, DIY 방식으로 제조한 제품은 보통 10 GPa 정도의 강성만 달성하기 때문입니다.
저예산 대안: 예산이 빠듯하거나 특수 UHPC 프리믹스를 구하기 어려운 경우, 표준 수축 보정 콘크리트(인장 강도를 높이기 위해 합성 섬유나 미세 강철 섬유가 첨가된 것)를 사용해도 DIY 시공에 충분히 효과적일 것입니다. UHPC보다 탄성 계수가 약간 낮을 수는 있지만, 그 막대한 질량과 진동 흡수 특성만으로도 알루미늄 압출재보다 훨씬 뛰어난 성능을 발휘할 것입니다.
콘크리트 수축 현상 대처 방법
수축률이 낮은 UHPC조차도 양생 첫 달 동안 약 0.5% 정도 수축하며, 이 수축의 대부분은 양생 초기 며칠 동안 발생합니다. 콘크리트에 금속 부품을 직접 타설하면 내부 응력이 크게 발생하여, 얇은 콘크리트 벽에 균열이 생기거나 장착면이 뒤틀릴 수 있습니다. 다음의 설계 지침에 따르면 Durcrete, 먼저 콘크리트 골조를 타설한 뒤, 수축이 완전히 끝날 때까지 한 달 동안 양생시킨 다음, 그 후에 모든 정밀 가공면을 접착했습니다.
기계 아키텍처
틀로는 멜라민 입자판(파티클보드)을 사용했습니다. 가격이 저렴하고 구하기도 쉬우며, 일회용 틀로 쓰기에는 아주 적합합니다.
트랙 톱을 사용해 모든 패널을 자른 뒤, 접착제를 전혀 사용하지 않고 나사만으로 거푸집을 조립했습니다. 나사는 무겁고 젖은 콘크리트를 견뎌내면서도 파열되지 않으며, 콘크리트가 경화되면 패널의 나사를 풀기만 하면 쉽게 떼어낼 수 있습니다.
금형의 모양은 기계 프레임의 윤곽을 그대로 따르지만, 어느 쪽이 위를 향할지 고려해야 합니다:
UHPC는 물을 극히 적게 사용하기 때문에 일반 콘크리트보다 배합하기가 훨씬 더 어렵습니다. 이로 인해 혼합물이 걸쭉하고 무거워져 교반하는 데 상당한 힘이 필요합니다.
공사를 위해 콘크리트가 아닌 시멘트용 소형 팬 믹서를 대여했지만, 추천하고 싶지는 않습니다. 출력이 훨씬 부족했고, 무거운 부하로 인해 기계 부품이 실제로 파손되기도 했습니다. 이로 인해 소량씩만 혼합해야 했고, 그 사이마다 오랜 시간이 지체되어 결과물이 일관되지 않았습니다. 일반적인 자유낙하식 시멘트 믹서나 고밀도 모르타르용으로 제작된 고성능 믹서를 사용하는 것이 훨씬 더 효과적일 것입니다.
제조사의 배합 지침만 따르면 타설 작업은 놀라울 정도로 쉽습니다. UHPC는 자가 다짐성(self-compacting)을 지니고 있어 자유롭게 흐르며 스스로 안정화되므로, 기포를 제거하기 위해 진동대나 특별한 도구가 필요하지 않습니다. 타설이 완료되면 패널을 탈형하기 전에 최소 며칠 동안은 몰드 안에서 그대로 두어 굳히십시오.
콘크리트 골조가 수축을 완전히 마칠 수 있도록 한 달 동안 양생시킨 후, 리니어 레일을 고정할 정밀 장착면을 부착할 시기가 되었다.
스트립 자르기 및 준비하기
큰 알루미늄 공구판(EN AW-5083)을 구입해서 개별 장착용 스트립으로 잘라냈습니다. 일반 트랙 톱과 금속 절단용 톱날을 사용해 자르니 의외로 잘 잘렸습니다.
접착력을 높이기 위해 두 재료 모두에 사전 처리를 했습니다:
평평한 기준면 설정하기
모든 개별 스트립이 완벽하게 평평하게 펴지고 동일한 평면(동일 평면)에 위치하도록 하기 위해, 테이프와 초강력 접착제를 이용해 이 스트립들을 뒤집은 상태로 하나의 큰 기준판에 붙였습니다:
모래가 함유된 에폭시 페이스트
콘크리트 프레임과 기준판 사이의 틈을 메우기 위해, 두꺼운 에폭시 페이스트를 만들었습니다:
준비된 콘크리트 표면에 에폭시 페이스트를 펴 바르고, 스트립이 부착된 기준판을 그 위에 눌러 붙인 뒤 가볍게 클램프로 고정했습니다. 에폭시가 완전히 경화되자 슈퍼글루로 붙였던 부분을 떼어내고 기준판을 들어 올렸더니, 콘크리트에 똑바로 접착된 완벽하게 수평을 이룬 초평평한 알루미늄 장착 패드가 남았습니다.
결과 및 평탄도 측정
기준판을 탈형한 후, 모든 장착면의 평탄도와 동면성을 측정했습니다. 그 결과는 다음과 같았습니다. 0.02~0.03mm로, 금속 밀링 머신을 이용한 후가공을 전혀 거치지 않고 직접 제작한 작품 치고는 놀라울 정도로 훌륭한 결과입니다.
다이얼 테스트 인디케이터가 장착된 평면판이나 정밀 수평계를 사용할 수 있다면, 정확한 편차를 측정할 수 있습니다. 만약 잔여 오차가 남아 있다면, 최종 조립 단계에서 리니어 레일 아래에 시밍을 넣어 마지막 몇 백분의 1밀리미터를 보정할 수 있습니다. 물론 완벽하게 맞추려면 엄청난 인내심이 필요하겠지만요!
에폭시가 완전히 경화되면 콘크리트 구조물에 영구적으로 접착된 견고하고 매우 평평한 알루미늄 장착 패드가 남습니다. 이 시점부터는 기계를 조립하는 일이 다른 DIY CNC 제작과 다를 바 없습니다.
계속 진행하기 전에 먼저 산업용 2K PU 도료로 기계 프레임 전체를 도장하기로 했습니다. 기름, 칩, 절삭유로부터 프레임을 잘 보호할 수 있기 때문입니다.
리니어 레일과 볼스크루 블록을 장착하려면 다음과 같이 하십시오:
UHPC 콘크리트로 CNC 프레임을 제작하려면 인내심이 필요합니다. 콘크리트가 경화되기를 기다릴 때뿐만 아니라 일이 계획대로 진행되지 않을 때에도 그렇습니다. 하지만 이 작업은 정말 재미있고, 최종 결과물은 들인 시간만큼 충분히 가치가 있습니다.
무거운 강철 구조물이나 에폭시 화강암을 제작하는 데 드는 비용의 일부만으로, 절삭 작업을 깔끔하게 유지하고 채터를 최소화하는 견고하고 진동을 흡수하는 기계 베이스를 얻을 수 있습니다. 고정밀 장착면을 만들기 위해 거대한 금속 가공 공장이나 고가의 밀링 머신이 필요한 것은 아닙니다. 세심하게 만든 금형, 평평한 기준판, 그리고 모래를 채운 에폭시만 있으면 됩니다.
이 가이드가 여러분도 직접 콘크리트 CNC 프레임을 제작해 보도록 영감을 주기를 바랍니다. 비슷한 기계를 제작하고 있다면 아래 댓글에 질문이나 사진을 남겨 주세요. 제작에 행운을 빕니다!
원문: https://www.instructables.com/UHPC-Concrete-CNC-Frame-in-Your-Garage/
https://www.instructables.com/UHPC-Concrete-CNC-Frame-in-Your-Garage/