휴머노이드 얼굴 프레임 설계 과정: 3D 프린트 재질(PLA·ABS·Nylon)과 강성·정렬·유지보수 기준

휴머노이드 얼굴에서 프레임은 “뼈대”이자 “정렬 기준점”입니다. 저는 실제 휴머노이드 얼굴 프로젝트를 진행하면서, 모터 선정보다 이 프레임 설계 단계에서 예상치 못한 시행착오를 가장 많이 겪었습니다. 모터의 성능이 아무리 뛰어나도, 프레임이 미세하게 휘거나 축 정렬이 틀어지면 완성된 표정은 어색해지고, 짧은 시간 내에 부품 고장으로 이어지곤 했습니다.

 

이번 글에서는 제가 현장에서 직접 부딪혔던 경험을 바탕으로, 프레임을 설계할 때 고려해야 할 핵심 공학적 요소와 재질 선택, 그리고 3D 프린팅 설정까지 포함하여 승률을 높이는 방법을 자세히 정리합니다.

휴머노이드 얼굴 프레임 설계 과정: 3D 프린트 재질(PLA·ABS·Nylon)과 강성·정렬·유지보수 기준

핵심 요약

• 프레임 설계는 강성, 정렬, 진동, 열, 정비성의 다섯 가지 핵심 공학적 목표를 동시에 만족시켜야 합니다. 이 다섯 가지 요소는 서로 상충하는 경우가 많아 설계자의 판단과 트레이드오프가 중요합니다.
• 3D 프린트 재질 선택은 프로젝트의 목적과 예산에 따라 달라집니다.
  • 빠른 프로토타입/형상 검증: PLA (경제성과 쉬운 출력)
  • 고온/충격 대응/내열성: ABS (더 높은 Tg (유리 전이 온도)와 충격 흡수)
  • 반복 구동/내구/장기 운영: Nylon (또는 카본/유리섬유 강화계열) (뛰어난 피로 강도)
• 3D 프린팅 시 0.2mm 레이어 높이는 디테일 구현에 이점이 있지만, 부품의 궁극적인 강도는 인필 밀도, 벽 두께(Perimeter 수), 그리고 무엇보다 하중 방향을 고려한 레이어 적층 방향에 의해 훨씬 크게 좌우됩니다.

1) 프레임이 담당하는 핵심 공학적 역할 4가지

휴머노이드 프레임은 단순히 부품을 고정하는 것을 넘어, 시스템의 안정성과 신뢰도를 결정짓는 핵심 기능을 수행합니다.

• 정렬 (Alignment) 및 기하학적 기준 제공
  눈동자 2축, 눈꺼풀 1축, 입꼬리 당김 모터 등 수많은 구동축이 단일한 기준 좌표계 내에 있어야 합니다. 저는 특히 눈 모듈의 축 정렬 문제로 많은 시간을 소비했는데, 기준면(Datum Plane)과 기준홀(Reference Hole)을 초기에 명확히 설계해두지 않으면 조립 편차가 누적되어 미세한 시선 떨림 현상이 발생했습니다.
• 하중 분산 (Load Path) 및 강성 확보
  입꼬리를 당기거나 볼을 움직일 때 발생하는 힘은 순간적으로 특정 부위에 집중됩니다. 프레임이 이 집중 하중을 넓게 분산하고 변형되지 않도록 충분한 강성을 확보해야 합니다. 강성이 부족하면 표정 구동 시 프레임이 미세하게 휘어 모터가 과부하 걸리거나, 피부가 찢어지는 현상이 발생할 수 있습니다.
• 진동/소음 관리 (Vibration & Noise Dampening)
  작은 서보 모터의 구동음이나 기어 백래시 소음이 프레임을 통해 공진(Resonance)하여 얼굴 전체로 증폭될 수 있습니다. 프레임의 공진 주파수를 예상하고, 불필요한 공진을 막기 위해 리브(Rib)나 댐핑 구조를 삽입하여 소음을 관리해야 합니다.
• 유지보수 베이스 (Maintenance Base)
  휴머노이드는 반드시 고장이 납니다. "모터 교체 10분"과 "모터 교체 2시간"을 결정하는 것은 프레임의 모듈화 및 접근성 설계입니다. 핵심 부품(모터, 센서)이 최소한의 나사 풀림으로 교체 가능하도록 프레임 분할 단위를 결정해야 합니다.

2) 설계 순서 (실전형 6단계)

저는 다음 6단계를 거쳐 프레임 설계를 진행했으며, 순서를 바꾸면 재설계 비용이 급증했습니다.

• 1단계: 표정 기능을 부위별로 분해 및 자유도(DOF) 정의
  눈(시선/눈꺼풀) · 입(입꼬리/입술/턱) · 볼/광대 · 미간/코처럼 부위를 나누고, 각 부위에 필요한 구동축(DOF)과 모터 수량을 확정합니다. 이 단계가 프레임의 크기와 모터 위치를 결정합니다.
• 2단계: 모터 배치 및 케이블 경로 확정 (가장 중요)
  모터 배치 후, 케이블이나 구동 링크가 지나갈 경로를 먼저 확정합니다. 프레임의 "기둥(Column)" 위치와 "벽" 위치는 이 경로를 침범하지 않도록 신중하게 결정되어야 합니다. 케이블을 최소한의 굽힘으로 배치하는 것이 핵심입니다.
• 3단계: 기준면/기준홀 (Reference) 설계
  나사홀, 축홀, 베어링 자리 등 모든 핵심 부품의 조립 기준이 되는 홀과 면을 최우선으로 설계합니다. 이 기준이 명확해야 조립 편차가 누적되는 것을 막고 시뮬레이션 결과와 실제 조립 결과의 차이를 줄일 수 있습니다.
• 4단계: 강성 (두께/리브/브레이싱) 설계
  기준과 경계를 잡은 후, 하중 집중 예상 구역을 중심으로 프레임의 두께를 결정합니다. 저는 얇은 판을 쓰더라도 수직 방향의 '리브(Rib)'를 전략적으로 삽입하여 무게 대비 강성을 극대화했습니다.
• 5단계: 열 및 마찰 포인트 제거 설계
  모터 주변 열이 프레임이나 피부에 전달되지 않도록 공기층(Air Gap)이나 통풍 경로를 확보합니다. 또한, 케이블이 프레임에 급격히 꺾이거나 마찰하는 지점(Friction Point)을 제거하여 모터 토크 손실을 방지합니다.
• 6단계: 모듈화 (교체 단위) 결정
  눈 모듈, 입 모듈, 볼 모듈처럼 기능 단위로 프레임을 분리합니다. 모듈화는 유지보수 속도를 높이고, 한 부위의 고장이 전체 시스템에 미치는 영향을 최소화합니다.

3) 3D 프린트 재질 선택 가이드 (PLA·ABS·Nylon)

저는 프로토타입마다 수십 번의 재질 변경을 해봤으며, 다음 표가 가장 현실적인 선택 기준이었습니다.

재질	장점	주의	추천 상황 (저의 경험)
PLA	프린팅 난이도 낮음, 수축/변형 적음, 빠르고 경제적인 반복 제작 가능	Tg가 낮아 (약 60°C) 열에 취약, 장시간 구동 또는 여름 환경에서 미세한 소성 변형 위험	MVP/형상 검증, 초기 조립성 테스트 (Quick Iteration)
ABS	PLA보다 우수한 충격 흡수 및 내열성 (Tg 약 105°C)	출력 시 워핑(Warping) 및 수축 관리 필수, 챔버 환경 요구, 냄새 관리	열 발생이 예상되는 모터 주변 환경, 외력 가능성이 있는 베이스 프레임
Nylon (PA)	뛰어난 내구성과 피로 강도, 반복 구동에 매우 유리 (마찰/마모 저항성 우수)	강력한 흡습성(수분 관리 필수), 프린팅 난이도 높음, 가격 상승	장기 서비스형, 모터와 직접 맞닿아 반복적인 힘을 받는 핵심 얼굴 모듈 (예: 입꼬리/눈꺼풀 링크)

재질 선택 노하우:
형상/조립 검증 단계에서는 저렴하고 출력 쉬운 PLA를 사용하여 설계 검증 속도를 높입니다. 이후 반복 구동/내구 신뢰성 검증이 필요한 핵심 부품에 한해서만 Nylon 계열(또는 PLA의 강성을 높인 PLA+CF 등)로 전환하는 단계적 접근이 비용과 시간을 절약하는 안정적인 흐름입니다.

4) 0.2mm 레이어 프린팅, 어디에 좋고 어디에 약할까요

프린팅 설정은 프레임 품질에 직접적인 영향을 미칩니다. 많은 분들이 레이어 높이만 강조하지만, 강성 측면에서는 다른 요소가 더 중요합니다.

• 좋은 점 (정밀도/디테일)
  
  • 곡면/사선면의 계단 현상(Stair Stepping)을 최소화하여 부드러운 표면 품질을 얻을 수 있습니다.
  • 미세 홀(Hole)이나 케이블을 잡아주는 가이드 홈 같은 디테일한 정밀 조립이 필요한 부위에 매우 유리합니다.
  • 얇은 레이어 덕분에 전체 높이의 오차가 줄어들어 정밀한 위치 제어가 가능해집니다.
• 약한 점 (강도/적층 시간)
  
  • 부품의 궁극적인 인장/굽힘 강도는 레이어 높이보다 벽 두께(Perimeter 수), 인필 밀도/패턴, 그리고 레이어 적층 방향 영향을 훨씬 크게 받습니다.
  • 힘이 걸리는 방향과 레이어 방향이 평행하지 않을 경우 (레이어 간 접착력이 하중을 받을 때), 0.2mm로 출력해도 얇은 레이어 경계를 따라 잘 부러지는 취약점이 발생할 수 있습니다.
  • 출력 시간이 길어지는 것은 물론입니다.

5) 실패 사례 4가지와 저의 해결법

제가 실제 프로젝트에서 마주쳤던 가장 흔한 4가지 실패 사례와 이를 해결했던 엔지니어링적 접근 방식을 공유합니다.

실패 1) 입꼬리 구동 시 프레임이 미세하게 휘어 표정이 흔들림

• 원인: 힘이 모이는 지점(응력 집중부) 주변의 프레임 강성 부족 (Deflection 발생). 모터는 힘을 주고 있는데 프레임 자체가 변형되어 힘이 제대로 전달되지 못함.
• 해결: 프레임 변형을 최소화하기 위해 해당 부위에 수직 방향의 리브(Rib)를 추가하여 면적 관성 모멘트(Area Moment of Inertia)를 높였습니다. 또한, 하중을 프레임의 가장 단단한 "기둥(Column)" 구조로 우회시키는 하중 경로 변경 설계를 적용했습니다.

실패 2) 눈 모듈 축 정렬이 틀어져 시선이 떨림

• 원인: 베어링/축 홀의 기준이 명확하지 않고, 조립 과정에서 나사를 조일 때마다 편차(Tolerance Accumulation)가 미세하게 누적됨.
• 해결: 눈 모듈 전체를 별도의 정밀 모듈로 설계하고, 이 모듈을 프레임 본체에 삽입할 때 단 하나의 정밀 기준면(Datum)과 핀/홀 조합을 통해 정렬을 완전히 고정시켰습니다. 조립 시 발생하는 편차를 최소화했습니다.

실패 3) 케이블 마찰로 모터 토크가 부족해짐

• 원인: 케이블 경로가 프레임 내부에서 급격한 곡률로 꺾이거나, 케이블이 여러 부품의 날카로운 모서리에 반복적으로 마찰하는 포인트가 다수 존재함. 이는 예상 토크(Estimated Torque)보다 실 토크가 훨씬 낮아지는 결과를 초래함.
• 해결: 모든 케이블 가이드의 곡률 반경(Bending Radius)을 최대한 완만하게 설계하고, 케이블이 프레임 표면이나 모서리와 직접 닿지 않도록 마찰 감소 홈(Recess)을 삽입했습니다. 움직이는 모터 주변은 케이블 정리를 위한 전용 지지대를 사용했습니다.

실패 4) 장시간 구동 후 내부 열로 변형/간섭 발생

• 원인: 모터와 구동 드라이버에서 발생하는 열(Heat Dissipation)이 프레임 내부에 갇혀 누적되고, 특히 PLA 프레임의 경우 이 열로 인해 미세한 변형이나 열팽창이 발생함.
• 해결: 통풍 경로(Air Vents)와 공기층(Air Gap)을 프레임 설계 단계부터 확보하여 열이 자연스럽게 배출되도록 유도했습니다. 또한, 고발열 모터 주변은 프레임과 직접 닿지 않도록 열 브레이크(Thermal Break) 역할을 하는 분리 설계 또는 히트 싱크 장착 자리를 같이 설계했습니다.

6) 프레임 설계 체크리스트 (바로 점검용)

프로젝트의 성공을 위해 최종 점검해야 할 핵심 목록입니다.

• 눈/입/볼 모듈의 기준면과 기준홀(Datum/Reference)이 명확하게 정의되어 있습니까?
• 힘이 몰리는 구간(입가/볼)에 하중을 분산시키는 리브/브레이스 구조가 충분히 삽입되었습니까?
• 케이블 경로가 급격하게 꺾이거나 마찰 포인트가 발생하지 않도록 최소 곡률 반경을 확보했습니까?
• 주요 고장 부품인 모터 교체를 위해 프레임을 전체 분해할 필요 없이 최소 2개 방향에서 접근 가능합니까?
• 나사 체결부에 반복적인 조립/분해가 예상되는 경우 황동 인서트나 보강 구조가 설계되어 있습니까?
• 장시간 구동 시 열이 누적되는 구간에 통풍/공기층(Air Gap)을 통한 열 배출 경로가 확보되어 있습니까?
• 공진이 발생할 수 있는 얇고 긴 판 구조에 리브를 추가하거나 적절한 지지 구조를 마련했습니까?
• 조립 편차가 누적되는 핵심 구간에 셋업 지그(Setup Jig) 또는 정렬 가이드를 사용할 수 있는 구조적 여유가 있습니까?

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8) 결론

프레임은 단순한 '뼈대'가 아닌 표정 구현의 정밀도와 시스템의 신뢰성을 결정하는 핵심 공학적 기반입니다.

• 설계는 강성, 정렬, 열, 정비성의 트레이드오프를 이해하고 접근해야 합니다.
• PLA로 빠르게 형상/조립 검증을 완료하고, 반복 구동 신뢰성이 필요한 최종 부품에만 Nylon 같은 내구 재질을 적용하는 단계별 재질 전략이 가장 효율적입니다.
• 0.2mm 레이어는 디테일(Precision)을 높여주지만, 벽 두께와 레이어 방향을 함께 고려해야만 강도(Strength)를 확보할 수 있다는 점을 명심해야 합니다.

Q&A

Q1) 프레임 설계에서 가장 먼저 고정해야 하는 것은 무엇인가요

• 기준면/기준홀 (Reference)부터 고정하는 것이 좋습니다. 모든 부품의 정렬은 이 기준점에서 시작해야 조립 편차가 최소화되며, 정렬이 안정되면 표정 품질은 물론 유지보수 난이도까지 동시에 낮아집니다.

Q2) PLA로도 장기간 실사용이 가능할까요

• 단기 전시나 기능 검증에는 충분히 가능합니다. 하지만 모터 발열이 심하거나 주변 온도가 높은 환경(예: 실내 상시 운영, 여름 환경)에서는 Tg가 낮은 PLA의 변형 리스크가 매우 커지므로, 장기 운영이 목적이라면 반드시 ABS나 Nylon 계열로 전환하는 것을 권장합니다.

Q3) 0.2mm 레이어로 찍으면 강도가 무조건 좋아지나요

• 아닙니다. 0.2mm 레이어는 표면 정밀도를 높여주지만, 강도는 벽 두께(Perimeter 수), 인필 밀도/패턴, 그리고 하중 방향을 고려한 레이어 적층 방향이 더 크게 좌우되는 편입니다. 강도를 원한다면 레이어 높이보다는 Perimeter 수를 늘리는 것이 더 효과적일 수 있습니다.

Q4) 모듈화는 꼭 해야 하나요

• 서비스나 운영을 염두에 둔다면 모듈화는 선택이 아닌 필수에 가깝습니다. 특히 눈/입처럼 복잡한 구동계는 고장 확률이 높으므로, 이 부분을 모듈화하면 현장에서의 교체 시간(Down Time)을 극단적으로 줄여 시스템의 운영 안정성을 높여줍니다.

Q5) 프레임에서 소음이 커지는 이유가 있나요

• 모터의 작은 소음이 프레임의 공진 주파수와 일치하여 진동이 증폭되거나, 얇은 판 구조가 악기처럼 소리를 키우는 경우가 많습니다. 프레임에 리브를 추가하여 강성을 높이거나 내부 구조를 분절하여 진동 경로를 차단하면 소음 문제가 개선되는 경우가 많습니다.

최고의 프레임 설계는 현장 조건과 변수가 증가할 때에도 안정적인 성능을 보장합니다.
체계적인 테스트 항목을 표준화하여 운영 단계를 대비해야 합니다.