FDM 3D 프린터의 한계에 도전하다(부제-출력 도중 필라멘트 교체하기)

얼티메이커 3(Ultimaker 3) 3D 프린터를 사용한지도 벌써 2달 가까이 되가는군요. 이번 포스팅은 FDM 3D 프린터로는 출력하기 정말 까다로운 3D 모델링 파일의 출력에 도전하는 과정을 보여드리고자 합니다. 



먼저 Overhanging(오버행잉)의 개념을 설명드리기 위해 직접 한번 그려보았습니다. overhanging은 돌출부라는 뜻으로, 보통 3D 프린터를 사용할 때에는 적층될 때 수직이 아닌, 어떠한 각도를 이루며 적층이 되는 부분을 뜻합니다. 


위 그림에서 1번의 경우에는 각도가 70도인데요, 이 정도로 기울어져 있는 부분은 어느 정도 세팅이 잘 된 3D 프린터의 경우에는 별다른 문제 없이 출력이 가능할 것입니다. 하지만 2번의 경우가 문제인데요. 이 2번의 경우는 각도가 22도입니다. 이 경우에는 프린팅 헤드의 노즐이 적층을 하기에는 너무 각도가 낮아 출력되면서 흘러내릴 가능성이 매우 높습니다. 이런 경우에는 보통 서포트(support)로 받쳐주면서 출력하는게 안정적입니다. 


하지만 이번에 얼티메이커3로 출력할 3D 모델은 서포트를 쓰지 않으면서도 앞서 보여드린 모형보다 훨씬 더 어렵습니다. 



짠! 요런 모델입니다. 보통 DLP 3D프린터와 같이 면으로 적층하는 경우 출력 성능을 평가하기 위해 테스트용으로 출력하는 아주 복잡한 모양의 3D 모델입니다.




큐라(Cura)로 불러온 모습입니다. 위 스크린샷에서 빨간색으로 표시되는 부분이 바로 overhanging된 부분으로, 서포트를 필요로하는 부분이기도 합니다. 



각도를 측정해보면, 위 각도의 절반이므로 약 22도 정도 되겠습니다.



그리고 단면을 보면 아시겠지만, overhanging된 부분 자체가 매우 얇을 뿐만 아니라 이런 부분이 반복적으로 구성되어 있기 때문에 일부분이 흘러내려서 출력이 안되면 전체 형태가 뒤틀릴 수 있으며, 리트랙션(Retraction)이 적절치 않으면 거미줄 현상(string)이나 불필요한 부분이 서로 연결돼버리는 현상도 발생할 수 있습니다. 


즉, 이 3D 모델을 출력하기 위해서는 프린팅 헤드의 정확한 움직임과 효과적인 쿨링, 그리고 적절한 리트랙션이 반드시 필요한 것이지요. 이 중 하나라도 충분치 않다면 이 3D 모델은 출력 자체가 안될 것입니다. 



그래서 이 3D 모델을 얼티메이커 3로 출력해보았습니다. 어려운 3D STL 모델로 출력해야 얼티메이커 3의 출력 성능을 좀 더 확실히 알지 않겠어요?ㅎ


Layer height 100마이크론, wall thickness 1mm, top/bottom thickness 1mm, infill density 10%, printing temperature 200도, build plate temperature 60도, flow 100%, enable retraction (+), retraction distance 6.5mm, retraction speed 25mm/s, print speed 70mm/s, enable print cooling (+), skirt(+), support (-)로 세팅하였습니다. 


출력에 사용한 필라멘트는 얼티메이커 공식 White PLA 필라멘트입니다. 



하지만 쉽지 않았습니다. 프린팅 베드에 닿는 출력물 각각의 면적이 워낙 작다보니 금방 베드에서 떨어져버리더군요ㅠ



2차시도!



실패..


아무래도 이 3D 모델을 출력하려면 라프트(Raft)를 깔아야겠더군요. 라프트란, 프린팅베드에 몇층 정도 조밀하지 않게 필라멘트를 적층한 다음, 그 위로 3D 모델을 출력하는 것입니다. 조밀하지 않게 필라멘트를 적층하는 이유는, 그래야 그 위의 결과물들과 잘 분리할 수 있기 때문이죠. 


Raft 세팅은 다음과 같습니다 : raft air gap 0.3mm, initial layer Z overlap 0.15mm, raft top layers 2



자, 출력이 시작되었습니다. Raft 설정 외 다른 부분은 이전 세팅값들과 같습니다.



Raft를 꽤나 촘촘히 깔더군요.



출력시작 후 약 2시간 정도 경과된 모습입니다. Raft 위로 3D 모델이 출력되기 시작합니다.



마치 꽃이 피어나는 듯 하군요ㅎ 아무래도 Raft로 깔려있는 필라멘트 부분과 출력되는 부분들이 일정 부분 녹아서 합쳐져서 베드에서 분리되지 않고 잘 출력되는 듯 합니다.



출력시작 후 약 5시간 반 정도 경과된 모습입니다



얇은 실같은 거미줄 현상 없이 잘 출력되고 있습니다만, 그래도 overhanging된 부분의 각도가 워낙 낮아 흘러내리는 것은 어쩔 수 없군요. 



출력시작 후 약 13시간 정도 경과된 시점에서 문제가 생겼습니다. 필라멘트가 부족한 것이지요ㅠ 13시간이나 출력을 했는데 여기서 출력을 끝낼 수는 없잖아요? 그래서 3D 프린팅 출력 도중에 필라멘트를 교체하는 작업을 하기로 했습니다. 



먼저 출력을 일시정지, 즉 Pause합니다. Pause를 하게되면 프린팅 베드는 아래로 내려오게 되구요, 프린팅 헤드는 앞쪽 중앙으로 자동 이동됩니다. 



얼티메이커 3 뒷면의 보우덴 익스트루더에는 필라멘트를 잡아주는 레버가 있는데, 이 레버를 위로 올려서 기존의 필라멘트를 수동으로 빼낸 후..



레버를 위로 올린 상태에서 새 필라멘트를 위와 같이 밀어 올려줍니다. 새 필라멘트를 핫엔드까지 도달시켜야 하는데요.



문제는, 이 작업을 할 때 핫엔드 온도는 점점 감소한다는 것입니다.



그러므로 필라멘트를 핫엔드 근처까지 밀어올렸다면, 이 상태에서 출력재개, 즉 Resuming을 시행하여 핫엔드의 온도를 필라멘트가 녹아 나올 온도까지 올린 후, 이 상태에서 필라멘트를 좀 더 밀어 올려서 핫엔드에서 필라멘트가 녹아 나오는 것을 확인하면 필라멘트 교체 끝입니다. 


물론 Resuming되어 출력이 재개되기 전에 노즐에서 녹아나온 필라멘트는 제거해야겠지요. 



출력시작 후 약 20시간 정도 경과된 모습입니다. 



Overhanging 부분이 깔끔하진 않지만 출력이 계속 되고 있다는 것이 매우 신기하군요.



시간을 빨리 돌려서.. 출력시작 후 약 32시간 정도 경과된 모습입니다. 드디어 출력이 완료되었군요. 



5층의 3D 모델이 모두 출력되었습니다. 




어느 한군데 무너진 부분 없이 비교적 완전하게 출력되었네요.





위쪽 부분의 적층은 비교적 깔끔합니다.



문제는 적층의 아래쪽 면이지요. overhanging의 각도가 22도밖에 되지 않아 서포트 없이는 출력이 매우 어려운 부분이라서 그런지 얼티메이커 3로 출력했음에도 불구하고 출력상태가 그리 좋지는 않군요.



쿨링팬을 풀로 돌렸음에도 불구하고 아래쪽 면은 흘러내린 부분이 많아 아쉬웠습니다. 



하지만 저렇게 얇으면서도 overhanging 되어있는 부분을 무너진 부분 없이 출력했다는 것만으로도 대단하다고 생각했습니다. 사실, 저는 출력에 실패할 줄 알았거든요ㅎ




특히나 맨 위쪽 부분의 각 모서리 부분은 서로 이어지는 부분도 없이 단독으로 overhanging 되어있음에도 출력이 되었군요.




출력된 결과물의 옆모습입니다.




출력된 결과물의 안쪽에 초점을 맞춰서 찍은 사진입니다.



앞서 설명드렸다시피 Raft는 제거할 수 있습니다.



Raft를 제거한 뒤 윗면을 내려다보는 각도로 찍은 사진입니다.



결과물을 뒤집어서, 아랫면을 내려다보는 각도로 찍은 사진입니다.




아래 부분은 overhanging된 부분으로 인하여 흘러내려 출력된 결과가 깔끔하지는 않습니다.




최종 비교사진입니다. 윗면의 적층은 정말 깔끔하지만, 아랫면은 아쉽군요. 아랫면을 깔끔하게 출력하려면 리트랙션과 쿨링을 좀 더 정밀하게 세팅해야할 것 같지만 FDM 3D 프린터의 태생적 한계상 쉽지는 않을 듯 합니다.



오늘은 얼티메이커3 3D 프린터로 FDM 3D 프린터로서는 출력하기 매우 까다로운 3D 모델을 출력해봄으로써 얼티메이커3의 한계에 도전해보았습니다. 정밀한 프린팅헤드의 움직임과 효과적인 리트랙션 조정으로 출력 자체에는 성공을 하였습니다만, overhanging 자체의 출력 난이도가 너무 높아 아랫면이 흘러내림에 따라 깔끔하게 출력되지는 않았습니다. 


하지만 좀 더 정밀한 세팅을 테스트한다면 좀 더 나은 결과를 얻을 수 있지 않을까 기대해봅니다. 애초에 이 3D 모델의 출력이 성공할 것이라고 생각하지 않았기 때문에, 출력에 성공한 그 자체가 좀 놀라울 따름입니다ㅎ


지금까지 메이드인네버랜드였습니다~!


※3D프린터회사이자 얼티메이커3(Ultimaker3) 3D프린터 공식 총판인 3Developer에서 장비를 제공받고 객관적으로 작성한 포스팅입니다※


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