얼티메이커 2(Ultimaker 2) 출력속도에 따른 출력시간 및 품질변화.

3Developer(http://www.3developer.co.kr)에서 좋은 기회를 주셔서 현재 제가 데모중인 얼티메이커 2(Ultimaker 2) 3D 프린터의 출력속도는 30mm/s에서 300mm/s로 안내되어 있습니다만, 큐라(Cura)에서 설정 가능한 속도는 150mm/s까지입니다.

일반적으로 출력속도가 느릴수록 출력시간은 늘어나고 출력품질은 높아진다고 하는데, 그렇다면 얼티메이커 2의 출력 속도에 따른 출력 시간, 그리고 출력 품질은 어떻게 변화하는지 레퍼런스값을 만들어보고 싶은 욕망(?!)에 사로잡혀 근 며칠동안 실험해보았고 그 결과를 종합해서 안내해드리고자 합니다.

물론 개인적으로 실험한 것이고 한가지 모델로 출력한 것이어서 얼티메이커 2 자체와 큐라의 세팅값, 출력 조건에 따라 차이가 날 수 있음을 먼저 알려드립니다. 즉, 절대적인 결과가 아니므로 참고값으로 생각해주셨으면 좋겠습니다.

실험에 사용한 큐라는 14.09 버전이며, 기본 세팅값은 다음과 같습니다.

[Basic]
Quality
Layer height(mm) : 0.1
Shell thickness(mm) : 0.8
Enable retraction : checked

Fill
Bottom/Top thickness(mm) : 1.2
Fill density(%) : 30

Speed and temperature
Print speed(mm/s) : vaired values

Support
Support type : none
Platform adhesion type : brim (line amount = 40)

[Advanced]
Machine
Nozzle size(mm) : 0.4

Quality
Initial layer thickness(mm) : 0.1
Initial layer line width(%) : 100
Cut off object bottom(mm) : 0.0
Dual extrusion overlap(mm) : 0.15

Speed
Travel speed(mm/s) : 130
Bottom layer speed(mm/s) : 20
Infill speed(mm/s) : 0 (= print speed)
Outer shell speed(mm/s) : 70% of print speed
Inner shell speed(mm/s) : 0 (= print speed)

Cool
Minimal layer time(sec) : 5
Enable cooling fan : checked

Print speed(mm/s), 즉 출력속도는 각각 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 125, 145mm/s로 세팅하였으며, 바깥면의 출력품질을 결정하는 요소인 바깥면 출력속도, 즉 Outer shell speed(mm/s)는 각 출력속도의 70%로 출력하였습니다.

그다음 얼티메이커 2 자체의 세팅값은 다음과 같습니다.

[Motion setting]

Acceleration : 3000mm/sec^2

X/Y Jerk : 20mm/sec

Max speed X : 300mm/sec

Max speed Y : 300mm/sec

Max speed Z : 40mm/sec

Current X/Y : 1300mA

Current Z : 1300mA

Current E : 1250mA

[Retraction setting]

Retract length : 4.50mm

Retract speed : 25mm/sec

[Material : PLA setting]

노즐온도 210도, 베드온도 60도, Fan 100%, PLA 직경 2.85mm, Flow 100%

[Version]

Sep 19 2014 10:18:33

Version 14.09.0

실험에 사용된 필라멘트는 Colorfabb의 PLA/PHA Standard white 2.85mm입니다.

출력을 위한 STL 파일은 고민고민하다가 다음과 같은 3D 모델링 파일을 사용하였습니다.

원래 캘리브레이션(Calibration)할 때 사용하는 3D 모델링 파일인데, 가로, 세로, 높이가 각각 25mm인, 위가 열려있는 정육면체이며 면의 두께는 3mm입니다.

출력시간은 각 정육면체를 출력했을 때 시간을 실제 측정하였으며, 출력품질은..

위 사진에서와 같이 출력면 앞쪽을 바라보았을 때 왼쪽 면(사진상에서 This side라고 표시된 면)의 상태, 안쪽 바닥면의 상태, 그리고 3mm 두께 벽의 윗면의 상태를 보고 비교했습니다. 

짠! 삽질의 결과물들입니다. 중간에 분홍색 큐브는 뭐냐구요? 테스트해볼려고 프린터봇 심플로 출력해본 것입니다ㅎ 출력속도 40mm/s와 70mm/s로 출력하던 당시 출력을 걸어놓고 시간을 재던 중 잠들어버려서(..) 한번씩 더 출력하는 바람에 큐브 개수가 예상보다 더 많아졌지요ㅠ_ㅠ

결과 보시겠습니다.

먼저 출력속도에 따른 출력시간의 변화입니다.

Print speed(mm/s)	Estimated time	Print time(min)
30	1 hour	100
40	1 hour	84
50	1 hour	70
60	1 hour	60
70	59 min	58
80	55 min	53
90	52 min	49
100	50 min	47
125	46 min	43
145	45 min	40

Estimated time은 얼티메이커 2 기기 자체에서 계산된 출력완료까지의 예상시간입니다.

출력속도와 출력시간의 관계를 그래프로 그려보면 다음과 같습니다.

GraphPad Prism 6.0에서 Third order polynomial(cubic)로 non-linear regression한 결과입니다. 수식값은 다음과 같습니다. 수학적으로 오류가 있다면 바로 알려주시면 감사하겠습니다(_ _)*

Print time(min) = (-8.492e-005)*X^3+(0.02834)*X^2+(-3.250)*X^1+173.7
(R^2=0.9949)

(X = [Print speed(mm/s]) 

출력속도에 따른 출력시간의 변화를 살펴본 결과, 출력속도가 증가할수록 출력시간은 감소한다는 것입니다. 한가지 눈여겨봐야할 점은 출력속도가 느려지면 느려질수록 출력시간의 증가폭이 증가한다는 것입니다. 그래프에서보았을 때 대략 60~70mm/s의 출력속도에서는 출력시간의 변화폭이 크지 않으나 30~50mm/s의 출력속도에서는 출력시간의 변화폭이 꽤 커짐을 알 수 있습니다.

또 한가지, 1시간이 넘어갈 것으로 예상되는 경우 얼티메이커에서 예측해주는 출력완료까지의 예상시간은 정확하지 않으나 1시간 이하의 경우에는 실제 출력에 걸리는 시간과 비교적 비슷하게 계산하고 있다는 점도 알 수 있습니다.

그 다음은 출력속도에 따른 출력품질의 변화의 결과입니다. 사실 사람으로 눈으로 품질을 정확히 판별하는 것은 어려우므로 사진을 통해 함께 판단해주시면 감사하겠습니다. 한가지 상기하셔야 할 점은 바깥면 출력속도, 즉 Outer shell speed(mm/s)는 각 출력속도의 70%로 출력했다는 것입니다.

다음은 원본을 Daum photo uploader로 리사이즈만 한 사진입니다.

위 사진은 출력속도 30mm/s로 출력한 결과물입니다. 빛으로 반사된 면만 보아도 알 수 있듯이, 굉장히 매끈한 표면을 보여주고 있습니다.

위 사진은 출력속도 40mm/s로 출력한 결과물입니다.

위 사진은 출력속도 50mm/s로 출력한 결과물입니다. 여기까지도 비교적 매끈한 표면을 보여줍니다.

위 사진은 출력속도 60mm/s로 출력한 결과물입니다. 여기까지도 어느 정도 매끈함을 보여주고 있으나 자세히 보면 약간 불규칙하게 출력되는 부분이 발생하기 시작합니다.

위 사진은 출력속도 70mm/s로 출력한 결과물입니다. 빛에 반사된 부분을 보시면 뭔가 일렁이는 듯한 표면을 보실 수 있습니다.

위 사진은 출력속도 80mm/s로 출력한 결과물입니다. 중간에 출력이 제대로 되지 않는 라인도 발생하기 시작합니다.

위 사진은 출력속도 90mm/s로 출력한 결과물입니다.

위 사진은 출력속도 100mm/s로 출력한 결과물입니다. 아래쪽에 보시면 출력이 제대로 되지 않고 비어버린 부분이 발생했습니다.

위 사진은 출력속도 125mm/s로 출력한 결과물입니다. 점차적으로 출력 품질이 급하강하기 시작합니다.

위 사진은 출력속도 145mm/s로 출력한 결과물입니다. 출력품질이 총체적 난국에 봉착한 모습입니다. 제대로 출력되지 않아 표면 곳곳이 비어버린 모습입니다.

표면 근접샷을 나열하여 편집한 사진입니다. 출력속도 50mm/s(Outer shell speed=35mm/s)까지는 매우 양호한 표면을 보여주고 있습니다. 60, 70mm/s의 결과물도 봐줄만하지만 약간 표면이 고르지 못하며 그 이후로는 점점 품질이 떨어집니다.

바닥면은 어떻게 출력되었을까요?

위 사진은 출력속도 30mm/s로 출력한 결과물입니다.

위 사진은 출력속도 125mm/s로 출력한 결과물입니다.

좀더 상태를 잘 파악하기 위해 정육면체 아래쪽에 빛을 비춘 후 사진을 찍어보았습니다.

위 사진은 출력속도 30mm/s로 출력한 결과물입니다.

위 사진은 출력속도 40mm/s로 출력한 결과물입니다.

위 사진은 출력속도 50mm/s로 출력한 결과물입니다.

위 사진은 출력속도 60mm/s로 출력한 결과물입니다.

위 사진은 출력속도 70mm/s로 출력한 결과물입니다.

위 사진은 출력속도 80mm/s로 출력한 결과물입니다.

위 사진은 출력속도 90mm/s로 출력한 결과물입니다.

위 사진은 출력속도 100mm/s로 출력한 결과물입니다.

위 사진은 출력속도 125mm/s로 출력한 결과물입니다.

위 사진은 출력속도 145mm/s로 출력한 결과물입니다.

바닥면도 표면과 비슷한 결과를 보여주고 있습니다.

그다음 정육면체 윗부분의 출력 결과를 비교해보겠습니다.

위 사진은 출력속도 30mm/s로 출력한 결과물입니다.

위 사진은 출력속도 40mm/s로 출력한 결과물입니다.

위 사진은 출력속도 50mm/s로 출력한 결과물입니다.

위 사진은 출력속도 60mm/s로 출력한 결과물입니다. 벽의 맨 바깥층과 안쪽층, 중간을 채우는 부분이 서로 분리되어 공간이 생겨있음을 알 수 있습니다.

위 사진은 출력속도 70mm/s로 출력한 결과물입니다. 중간중간 빈 공간이 생겨나고 있습니다.

위 사진은 출력속도 80mm/s로 출력한 결과물입니다.

위 사진은 출력속도 90mm/s로 출력한 결과물입니다.

위 사진은 출력속도 100mm/s로 출력한 결과물입니다.

위 사진은 출력속도 125mm/s로 출력한 결과물입니다.

위 사진은 출력속도 145mm/s로 출력한 결과물입니다.

윗부분 출력의 경우, 출력속도 60mm/s부터 벽을 둘러싸는 벽부분과 내부 채움이 융합되지 않는 모습이 나타남을 알 수 있습니다.

출력속도에 따른 출력품질의 변화를 살펴본 결과, 표면과 바닥 그리고 윗부분 출력결과 비교상 출력속도 50mm/s(Outer shell speed=35mm/s)까지는 매우 양호한 출력품질을 보여줌을 확인할 수 있었습니다.

이제까지 얼티메이커 2(Ultimaker 2) 출력속도에 따른 출력시간 및 출력품질의 변화에 대해 알아보았습니다. 출력품질의 경우 출력속도가 느릴수록 좋아지는 경향을 보였고, 50mm/s 이하의 속도에서는 출력시간의 상승폭이 훨씬 커지는 것을 감안하였을 때, 출력품질도 어느 정도 확보하고 출력시간도 줄일 수 있는 방안으로는 50mm/s 정도의 출력속도를 선택하여 3D 프린팅하는 것이 좋을 것으로 생각됩니다.

물론 출력속도가 높아진다고 해서 출력품질이 반드시 떨어진다고 할 수도 없는 것이, 이번 실험에서는 하나의 세팅으로 출력속도만 다르게 한 것이기 때문에, 출력속도에 따라 3D 프린터와 소프트웨어를 최적화한다면 빠른 출력속도에도 불구하고 출력품질도 양호한 결과물을 얻을 수 있을 것입니다.

다만 그 모든 것을 출력해보기에는 수고로움과 삽질이 필요하기에, 이번 포스팅이 최고의 3D 프린팅을 하시는 데 있어서 참고할 만한 값이 되었으면 하는 바람입니다. 최적의 세팅을 찾으시면 저도 좀 가르쳐주세요ㅠ_ㅠ

이제까지 메이드인네버랜드였습니다~!