3D 프린팅 기어 가이드: 어떤 기어가 더 좋을까?

기어는 동력을 전달하는 핵심 부품으로, 3D 프린팅을 활용하면 프로젝트에 맞춘 맞춤형 기어를 제작할 수 있어 기계 설계를 더욱 유연하게 할 수 있습니다. 기어의 종류에 따라 (예: 스퍼 기어, 헬리컬 기어, 헤링본 기어) 소음, 전달 효율, 내구성 등이 달라지기 때문에 용도에 맞는 선택이 중요합니다. 이번 가이드에서는 세 가지 대표적인 3D 프린팅 기어 디자인의 장단점을 자세히 비교해 보겠습니다.

출처: https://www.engineersedge.com/pumps/helix_spur_gear_pump.htm

출처: https://www.michael-smith-engineers.co.uk/resources/useful-info/external-gear-pumps

스퍼 기어

스퍼 기어는 기어 축에 평행하게 배치된 직선형 톱니를 가지며, 가장 단순하고 일반적인 기어 형태입니다.

장점

3D 프린팅이 쉬움: 구조가 단순해 설계와 출력이 빠르고 간편합니다.

저비용: 재료 소모가 적고 후처리가 거의 필요하지 않아 경제적입니다.

단점

소음이 큼: 이가 맞물릴 때 갑작스럽게 접촉하기 때문에 고속 회전 시 진동과 소음이 큽니다.

하중 지지 한계: 고속 운전 시 마모가 빨라지고 수명이 짧아집니다.

스퍼 기어는 기어 전체 면에서 동시에 맞물리는 방식이라 진동과 소음이 발생하기 쉽습니다. 그럼에도 불구하고 제조가 가장 간편하고 비용 효율이 뛰어나기 때문에, 저하중 및 단순한 구동 시스템에서 많이 사용됩니다.

헬리컬 기어

헬리컬 기어는 기어 축에 대해 비스듬히 배치된 사선형 톱니를 가지고 있어, 보다 부드러운 맞물림이 가능하며 소음과 진동을 줄이고 효율을 높일 수 있습니다.

장점

저소음 및 저진동: 고속 회전에서도 안정적인 동작이 가능해 정밀 기계에 적합합니다.

내구성 우수: 여러 개의 이가 동시에 접촉해 하중이 고르게 분산되며 수명이 길어집니다.

단점

축 방향 추력 발생: 측면 하중이 생기므로 추가적인 베어링 지지 설계가 필요합니다.

3D 프린팅 난이도 높음: 사선 구조 특성상 출력 시 정밀한 적층 정렬이 요구되어 품질 확보가 어렵습니다.

헬리컬 기어는 기어 축에 대해 일정한 각도(헬릭스 각)로 기어 이빨이 기울어져 있습니다. 이 각도로 인해, 이가 맞물릴 때 스퍼 기어처럼 갑작스럽게 전면 접촉하지 않고 서서히 접촉하게 되어 충격이 줄어듭니다. 이러한 구조 덕분에 헬리컬 기어는 고속에서도 조용하고 부드럽게 작동하며 진동도 적습니다. 하지만 헬릭스 각이 존재하기 때문에 추가적인 축 방향 힘(축 추력)이 발생하게 되며, 이 힘은 각도가 커질수록 커집니다. 이에 따라 베어링 지지 설계가 더 필요하고, 마찰로 인해 발열 및 에너지 손실이 증가할 수 있습니다. 따라서 일반적으로 헬릭스 각은 25도 이하로 유지하는 것이 권장됩니다. 또한 구조적으로 복잡하기 때문에 3D 프린팅으로 제작할 때는 높은 정밀도와 정렬 정확성이 요구되어 출력 난이도가 높은 편입니다.

헤링본 기어

헤링본 기어는 서로 반대 방향의 헬리컬 기어 두 개가 결합된 형태로, 축 방향 추력을 상쇄하면서도 부드러운 동력을 전달할 수 있습니다.

장점

축 추력 없음: 좌우 힘이 상쇄되어 베어링이나 축에 무리를 주지 않습니다.

내구성 우수: 고하중, 고토크 환경에서도 긴 수명을 유지합니다.

부드럽고 조용한 작동: 정밀 구동이 필요한 장비에 적합합니다.

단점

복잡한 설계: 두 방향 기어의 대칭을 정확히 설계해야 합니다.

조립 난이도 높음: 스퍼 기어나 일반 헬리컬 기어보다 조립 및 분해가 어려움이 있습니다.

앞서 언급한 것처럼, 헬리컬 기어는 작동 중 축 방향의 힘이 생기지만, 헤링본 기어는 좌우 반대 방향의 기어가 서로 보완해 이 문제를 해결합니다. 헤링본 기어는 이가 맞물릴 때 불필요한 이동 없이 정확히 결합되므로, 고토크 프로젝트나 산업용 설비에 매우 적합합니다. 디자인할 때는 먼저 헬리컬 기어를 모델링 소프트웨어에서 생성한 후, 이를 기준면(상단 또는 하단)에서 대칭 복사하여 헤링본 형태를 만들 수 있습니다. 다만 설계와 제작이 다른 기어보다 복잡하고, 조립도 쉽지 않기 때문에 정밀한 작업 환경이 필요합니다.

다양한 3D 프린팅 기어의 장단점을 이해하면, 프로젝트 요구 사항에 맞춰 설계를 최적화하여 기어의 내구성과 기능성을 향상시킬 수 있습니다. 고품질의 3D 프린팅 기어가 필요하다면, JLC3DP에서는 다양한 소재와 정밀한 출력 기술을 바탕으로 고토크 기어까지 정밀하게 제작할 수 있는 전문 3D 프린팅 서비스를 제공합니다. 프로젝트에 딱 맞는 기어를 구현해보세요.