[북리지의 삼디 Life] 출력시간을 줄여주는 10가지 방법

[북리지의 삼디 Life - 출력시간을 줄이는 10가지 방법]

3D 프린터를 한마디로 말하자면 '쌓는 기계' 이다.

어떻게 무엇을 쌓느냐에 따라서 3D 프린터의 종류가 달라지고

동일한 방식의 3D 프린터의 경우도 쌓는 조건을 달리주면 결과가 전혀 다르게 나올 수 있다. 그러나 말이 쉽지 '쌓는다' 라는게 그리 만만한 작업은 아니다.  

3D 프린터 취미활동에 입문한지도 이제 4개월에 접어들었다. 

첫달에는 온갖 불량을 해결하는데 시간을 쏟았다. 안착불량, 레벨링불량, 압출불량, 탈조, 장력스프링불량, 필라교체불량, 온도컨트롤 불량 등에 휩싸였다. (참고: http://bookledge.tistory.com/854?category=718609)

어느정도 불량이 잡히고 나서는 출력 품질을 잡는 것에 신경을 썼다. 숱하게 많은 큐브를 뽑아보면서 어떻게 하면 품질을 높일 수 있을지를 고민했었다. 최적 프린팅 온도조건을 찾고, 오버행조건과 리트랙션, 가속도값을 조정하면서 나름 분투했고, 하드웨어도 비싸지 않은 선에서 소소한 업그레이드를 해주었다. (참고: http://bookledge.tistory.com/857?category=718609, http://bookledge.tistory.com/863?category=718609)

이렇게 쌓는 기계로서 제대로 작동하는 3D 프린터를 소유하고 나서는 이제 출력에만 집중하면 된다. 싱기버스에서 다운로드 받아서 아이들에게 포켓몬 시리즈들을 출력해서 농장도 만들어주고, 집안에 체중계라든가 칼자루라든가 하는 물건을 디자인해서 장착하며 스스로 대견함을 느끼기도 한다. 이와같이 더할나위 없이 만족스러운 3D 프린터 취미생활자에게 단 한가지 아쉬운 부분이 있는데 그것은 바로 출력시간이다. 

현재 FDM 방식의 3D 프린터가 지니고 있는 태생적인 한계일지도 모르는 기나긴 출력시간. 어떨땐 2시간 뒤에 가지고 나가야 하는데 출력시간을 보니 2시간 30분을 예상하고 있을 때의 당혹스러움.  5시간 걸리는 출력을 5분으로 줄이는 것은 안되겠지만 그래도 1시간 정도는 줄일 수 있지 않을까 하는 고민에서 이것저것 하다보니 오늘의 포스팅을 쓰게 되었다. 

10가지를 적어보자고 생각해서 리스트를 만들다보니 대부분은 이미 상식적으로 너무 당연한 부분인 것도 있고, 어떤건 출력시간을 줄여주긴  하지만 현실적으로는 적용하기 어려운 정보도 있을 수 있을 것이다. 다만, 오랜 경험자에게는 지극히 '상식'이라고 하는 것도 처음 입문자에게는 생소하고 소중한 정보가 될지도 모른다는 생각에 각 조건별 원리 및 장단점을 중심으로 정리해보도록 하겠다. 

출력시간을 줄이는 Tip 10가지를 크게 3부분으로 나누었다. 

첫째. 빨리 쌓는다

둘째. 적게 쌓는다

셋째. 효율적으로 쌓는다

이 세가지를 바탕으로 이제부터 출력시간 감소를 위한 Tip 을 시작하겠다.

[빨리 쌓는다]

먼저 빨리 쌓는다는 것의 의미를 제대로 생각해보는 시간을 갖도록 하겠다.

이것은 FDM 의 출력방식과도 관련이 있다고 할 수 있다. 

출력의 핵심인 노즐과 필라멘트의 압출 모양의 그림을 보도록 하자

필라멘트는 보통 1.75mm 를 많이 사용하고 있다. 3mm 필라멘트를 쓰는 프린터도 있지만 국내에서는 접하긴 힘들었다. FDM 방식은 Fused Deposition Modeling 의 약자이지만 왠지 Filament Deposition Making tool 이라고 하는게 직관적이지 않을까 싶을 정도로 Filament 의 녹음과 굳음을 이용해서 모양을 형성하는 방식이다. 

필라멘트는 노즐을 통과하면서 0.4mm 노즐 기준으로 굵기가 그것의 4분의 1가량으로 줄어든다. 노즐을 통과한 필라가 본격적으로 우리가 원하는 출력물을 형성하게 되는 것이다.  여기서 출력 layer 의 모습을 보다 확대해 보도록 하겠다. 

위 그림은 노즐을 빠져나온 필라멘트가 쌓이는 모습을 나타내보였는데, 이것들이 하나씩 쌓여 컵이나 포켓몬, 혹은 에펠탑이 되는 것이다. 

여기서 세가지 요소가 나온다. 하나는 Vf 라고 하는 출력속도, 그리고 W 라고 하는 라인넓이, l  라고 하는 층간높이가 그것이다. 

FDM 방식의 프린터를 1차원 선을 가지고 3차원 형상을 만드는 것이라고 표현을 많이 하지만, 조금 확대해 보면 가느다란 선 자체도 위와 같이 3차원의 형상임을 알 수 있다. 

결론적으로 말해 빨리 쌓는다 라는 것의 의미는 위의 3가지를 조절해주는 것을 의미하는데, 그들의 공통점은 단위시간당 익스트루더(압출)의 속도가 높아진 다는 것이다.  여기서 하나 생각할 것은 프린터 노즐의 이동이 빨라지는 것에 한정되지 않는다는 것이다. 

이제 그 의미를 하나씩 알아보고 각각의 조건을 선택했을 때의 단점도 생각해보도록 하자. 

1. 출력속도를 높인다.

이것은 너무나 당연한 것이고 직관적인 것이다. 

동일한 거리를 보다 빠른 속도로 이동할 때 걸리는 시간은 더 줄어든다는 사실. 바로 물리에서 배웠던 이 공식에 따라 그대로 적용된다.

S = V x T 

그러나 속도를 2배 높였다고 해서 출력시간이 1/2로 줄어들지는 않는 경험을 하게 된다. 

그 이유는 가속도 때문에 그렇다.  만약 가감속이 없이 출력이 진행된다면 어떻게 될까?  이것을 예상하기 위해 고등학교 물리수업시간에 들었던 운동량과 충격량 부분을 떠올려보았다. 

F x T = M x V

움직이는 물체는 모두가 운동량을 지니고 있다. 솜털이 100km/h 의 속도로 날아와 몸에 부딪히는 것과 KTX 기차가 100km/h 의 속도로 내게 부딪히는 것은 동일한 속도라고 해도 그 무게(M) 때문에 대상이 받는 충격은 다르다는 것이다. 그리고 T(충격시간)가 짧으면 짧을 수록 받게 되는 충격(F)은 상대적으로 커지게 된다. 그래서 나이키는 신발밑창에 에어로 쿠션을 넣기까지 하던게 아닌가. 딱딱하다는 것은 속도변화가 짧다는 것이고, 시간이 길다는 것은 속도가 천천히 변하여 충격을 흡수하여 적게 받는 다는 것을 의미한다. 다시 말해 가속도가 어떠하느냐에 따라 받는 힘이 달라지는 것으로 이해할 수 있다. 

아이언맨이 높은 곳에서 떨어져도 슈트안에 있기 때문에 안전하다는 것은 순전 뻥이다. 바닥이 몸에 닫지 않는다는 것 뿐이지 아이언맨은 슈트에 맞아 내부출혈로 죽을게 뻔하니깐 말이다. 

어쨋든, 본론으로 다시 돌아오자면 가감속이 거의 없이 일정한 속도로 움직인다는 말은 가속도 값이 엄청나게 크다는 것을 의미하고 (방향을 바꾸기 때문) 이 경우에는 노즐과 쿨러가 달려있는 뭉치의 무게 때문에 프린터가 지속적으로 엄청난 충격에 노출된다는 것을 뜻한다. 

처음에 이 개념이 없이 프루사 방식인 나의 프린터를 가속도 3000에 놓고 진행했을 때 엄청난 소음(굉음)에 시달려야만 했다. 

결국 하고자 하는 말은 노즐의 움직임에는 가속과 감속이 있어야 한다는 것이고 가속도 값이 크다는 것은 속도의 변화가 엄청나게 짧은 시간에 이루어져서 왠만하게 안정된 몸체를 가진 프린터가 아니면 감당하기 어렵다는 것이다. 만약 아크릴 재질의 몸체를 가지고 있는 프린터를 소유하고 있다면 가속도를 낮춰서 진행하는 것만으로도 출력 품질과 소음/진동이 좋아질 것이다. 

지금까지 이야기 한것이 속도를 높여도 그것이 출력시간 감소에 생각만치 영향을 미치지 못하는 이유이다. 

결론 : 속도를 높이고자 한다면 가속도도 같이 높여야 시간감소에 보다 효과가 있고, 속도와 가속도를 높이고자 한다면 몸체 보강을 통해서 빠른 속도가 큰 충격량에도 버틸 수 있는 맵집을 지녀야 한다.

단점 : 보강없이 속도만 높이게 되면 출력시간은 줄어들지만 출력품질이 떨어진 결과를 보게 될 것이다.

2. 층간높이(Layer height)를 높인다.

이것도 역시 당연하게 보인다. 

단위 시간당 레이어 높이를 높이는 것만으로 우리는 엄청나게 출력시간을 줄일 수 있다. 출력속도와는 다르게 이 값의 변화는 거의 비례적으로 작용한다. 만약 0.2mm 높이에서 2시간이 소요되었다고 하면 0.1mm 에서는 4시간이 걸리는 식이다. 그렇다면 우리의 목적은 출력시간을 줄이는 것이니  층간높이를 0.4mm 로 하면 1시간에 출력이 가능할까?

아쉽게도 그것은 불가능하다. 그것은 구조적인 문제 때문이다.

다음 그림을 보자.

0.2mm 일때는 레이어가 한층한층 잘 올라가지만 0.4mm 일 경우에는 원형 노즐로부터 나온 필라멘트가 아주 위태롭게 쌓이게 된다. 물론 중력에 의해 위와 같이 완전한 원형으로 나오진 않겠지만 층간 닿는 면적은 현저히 좁아져 있게 되고 이로 인해 낮은 층간결합력의 문제뿐 아니라 레이어 흘러내림의 문제도 발생할 수 있다. 

그래서 Cura 와 같은 슬라이서에서는 자신의 노즐에 비해 너무 넓은 층간높이값이 입력되면 입력칸이 빨갛게 변하여 경고를 표시한다. 

이를 해결하는 방법은 자신의 노즐 사이즈 대비해서 높일 수 있는 Layer height 를 80% 로 보는 것이다. 즉, 0.4mm 노즐의 경우는 0.32mm 정도를 최대치로 보고 조정을 하는 것이다. 

결론 : 층간 높이는 출력시간 감소에 큰 영향을 미친다. 상단이 둥근 형태의 피규어의 경우는 등고선이 심하게 보이기 때문에 추천하진 않지만 만약 직각 형태의 부품파트라고 한다면 노즐직경의 80% 선까지는 층간높이를 높여도 무방할 것이다. 

단점 : Layer height 는 출력 표면 품질에 직접적으로 영향을 미친다. 따라서 높은 층간높이는 거친 표면 질감을 보일 것이다. 

3. Line Width 를 넓힌다.

지난 포스팅에서도 한번 다루었던 이 기능은 의외로 많이 모르는 사람이 많았다. (참고 - [김성민의 삼디 Life - 알아두면 유용한 Cura 설정값 Best 10] )

동일 시간내에 더 빨리 쌓는 세번째 방법은 바로 Width 를 넓히는 것이다. 

나는 이게 가능한지 전혀 생각지도 못했다. 

Nozzle size 가 정해지면 line width 는 그냥 그대로 따라 가는게 아닐까 막연히 생각했는데 그게 아니었다. 

위 그림에서 보이는 것과 같이 노즐로 부터 나온 필라멘트는 압출량이 어떠하느냐에 따라 출력되는 폭이 얼마든지 달라질 수 있었던 것이다.

물론 한없이 작아지거나 커질 수는 없다.  만약 노즐보다 너무 작게 값을 두면 출력은 되지만 안정적인 layer 를 형성할지는 의문스럽다. 반면에 값이 노즐 팁의 평평한 부분보다 더 넓어지게  되면 어떻게 될까?  노즐 끝의 경사면을 타고 불룩한 형태가 되어버릴 것이다. 

여기서 우리가 주목하면 좋을 것은 Line width 도 변경가능한 값이라는 것이다. 

그렇다면 어떻게 Line width 가 출력시간을 줄여주는 것인가? 

앞서 언급한 지난 포스팅의 말과 같이 Line width 를 바꾸면 그에 따라 노즐이 출력을 하느라 이동하는 횟수가 달라지게 된다. 

원래 오른쪽에서 10번을 왕복해서 선을 그렸다면, 왼쪽에 line width 를 높인 것은 7번만에 면을 채울 수가 있게 된다.  사실 지난 포스팅에서는 실제 출력에서 0.6mm 까지는 진행해보진 않았다. 기껏해야 0.48mm 로 조금 높여 진행을 하면서 그런 기능도 할 수 있다고 설명을 하였는데, 이번에는 실제로 적용되었을때 상태도 보고자 다음과 같이 테스트를 해보았다. 

한변이 20mm 인 사각형을 3가지 Line width 로 출력을 해본 결과이다. 모두 0.2mm layer height 는 동일하고, 2 layer 를 올려서 0.4mm 높이를 가진 사각형을 만들었다.  양 끝에 있는 것을 한번 비교해보도록 하자.

위와 같은 결과가 나왔다.  0.6mm 와 0.3mm 에서도 출력된 모습은 전혀 이상하지가 않았다. 만약 노즐을 바꾸지 않고도 좀더 섬세한 형태를 구현하고자 한다면 0.3mm 로 line width 를 변경해서 출력해도 좋을 것 같다는 인상을 받았다.  반대로 0.6mm 에서의 결과도 크게 이상한 점은 찾을 수 없이 정상적으로 출력되었다고 판단되었다. 

결과를 가만히 살펴보면 대각선으로 선이 그어진 개수가 정확히 2배가 되는 것을 확인할 수 있을 것이다. 왕복한 선의 개수가 2배라는 것은 시간이 2배나 더 걸렸을 것임은 쉽게 예상해 볼 수 있을 것이다. 

만약 출력 시간을 줄여보고자 하는 사람이라면 line width 변경도 매우 좋은 선택지라는 생각이 든다. 

게다가 출력속도를 빠르게 한다거나 층간높이를 높이는 것과는 다르게 이 설정은 출력품질을 크게 해치지 않는 다는 장점이 있다. 

지난 포스팅에서 공유했던 Cura 에서 각 설정별 Layer View 모습이다. 보는 바와 같이 출력물의 표면 품질에는 큰 차이를 보이지 않는다. 

그런데, 의문이 생긴다. 과연 실제 출력을 해도 저렇게 나올까? 한두 레이어만 쌓는게 아니라 0.6mm로 전체 모델링을 출력하면 예상대로 나올까?  이것에 대한 답은 포스팅 맨 끝에서 결과를 보이도록 하겠다. 

결론 : 표면 품질을 저하시키지 않으면서 출력시간을 단축할 수 있는 아주 좋은 선택지이다. 

단점 : 만약 아주 얇은 구조물 (예. 포켓몬 리자몽의 날개부분) 인 경우에는 Line width 를 높이게 되면 그 부분의 Gcode 가 생성되지 않고 출력이 안되는 문제가 발생할 수 있다. 구조에 따라 선별할 수 있어야겠다. 

여기까지 언급한 세가지. 1. 속도 2. 층간높이 3.라인넓이 의 조정은  [빨리 쌓는다] 라는 관점에서 접근한 내용이었다.  이는 출력물의 전체 크기라던가 무게등은 변화시키지 않는 방법이었고, 다음부터 나오는 것은 이에 대한 변화를 전제로 한다.

[적게 쌓는다]

출력시간은 필라멘트 소모량과 거의 비례관계에 있다.  물론 모델링의 복잡성에 따라 다르긴 하겠지만 동일한 모델링이라면 필라멘트를 적게 사용하는 것이 출력시간 감소에 도움이 된다. 따라서 지금부터 나오는 내용은 어떻게 하면 필라멘트 소모를 적게 하는가의 답변도 될 수 있을 것이다.  먼저 2개를 비교해놓은 다음 그림을 보길 바란다.

왼쪽과 오른쪽의 모델링은 둘다 동일한 포켓몬 이브이를 슬라이싱 한것이다.  둘의 출력속도는 동일하고, layer height 와 line width 도 정확히 같다.  즉, 앞서 설명한 1,2,3 번의 내용은 모두 같다는 것이다. 그런데 출력시간이 2배정도 차이가 발생했다. 무슨일이 벌어진것일까?

하나씩 알아보도록 하자. 

4. Scale 을 조정한다.

좀 허무할지 모르겠지만 이번 Tip 은 작게 뽑으라는 것이다.

크기를 작게 하면 필라 소모를 낮출 수 있고 결과적으로 시간을 줄일 수 있다.  그러나 생각만큼 크기를 줄이지 않아도 된다는 점을 말하고 싶다. 

우리가 Scale 을 조정할 때 그 값은 X, Y, Z 의 길이 비율을 조정하는 것이다. 고등학교 수학선생님이 그러시던데 부피는 길이 비의 세제곱 비라고 하였다.  예를 들어, 크기 Scale 을 70% 줄였다고 하면 부피는 이렇게 달라진다. 

부피변화 = 0.7 x 0.7 x 0.7 = 0.343 (34.3%)

그러니깐 전체 차지하는 부피가 30%대로 줄어든다는 뜻이다. 

이것이 그대로 3D 프린터에 적용이 될까? 

답은 No 이다. 

3D 프린터의 출력물의 infill 을 100% 채운다면 거의 근사하게 맞아떨어지겠지만, 대부분 내부의 infill 정도를 10 ~ 50% 사이로 비워두기 때문에 세제곱에 정확히 맞지는 않는다.  하지만 면적비를 뜻하는 제곱비와 세제곱비 사이의 어떤 값으로 수렴한다는 것은 예상할 수 있다.  즉, 49% 에서 34.3% 사이의 어떤 지점으로 줄어든다는 것이다. 

싱기버스에서 다운받아서 출력하는 것이라면 이렇게 출력사이즈를 줄여보도록 하자.  어쩌면 원 제작자가 의도한것과는 다르게 작은 것이 자신의 필요와 용도에 맞을 수도 있기 때문이다. 

만약 너무 크게 줄이기가 싫다고 하면 90% 정도로만 줄이는 것은 어떨까?  크기는 10% 정도로 큰 차이는 나지 않지만 시간은 1시간 30분 정도(20%) 줄어든 것을 확인할 수 있을 것이다. 

결론 : Scale 을 줄이면 출력시간이 대폭 감소를 한다. 약 90% 정도 크기 조정만으로 전체 출력시간을 20% 가까이 줄일 수 있다. 

단점 : 출력물이 작아진다.  피규어 같은 경우에는 취향에 따라 다를 수 있지만, 어딘가 조립을 해야하는 구조물같은 경우는 크기 조절을 절대 해서는 안되는 상황이 벌어진다. 

5. Infill 을 낮춘다.

Infill 은 전체 출력시간에서 큰 비중을 차지하고 있다. 

큐라 슬라이서에서는 각 구조에 대한 출력시간 비율을 확인할 수가 있는데, 이에 따르면 infill 15% 로 했을 때 전체 출력시간에서 20% 정도를 차지함을 알 수 있다. infill 만 별도로 출력 속도 조정이 가능하지만 여기서는 모두 default setting 으로 진행한 결과를 이야기 하도록 한다. 만약 infill 속도를 키우면 이 부분의 portion 이 줄어들고 출력시간 감소로 이어질 수 있음을 이용해도 좋겠다. 

infill 은 출력물 내부의 강도와 관련되어 있다. 많이 채우면 채울 수록 출력물은 단단해지고 잘 부서지지 않는다.  프린터의 업그레이드 부품의 경우는 최소 40% 이상의 infill이 추천되고 있다. 그런데 이 값이 100% 가 아니라 40% 인 것은 주목해야할 부분인것 같다.  어느정도 강도가 필요한 출력물의 경우는 50% 정도까지만 하더라도 충분하다는 것이 중론이다. 오히려 infill 보다는 외벽 두께를 두껍게 하는 것이 강도에 더 영향을 미친다고 하는데, 아크릴 몸체를 메탈프레임으로 변경을 하면서 나역시 같은 경험을 했었다.  볼트를 체결해야하는 부품에서 볼트가 세게 조여지면 외벽이 얇은 경우 infill 이 50% 정도 있다고 해도 그 부분이 갈라지거나 힘을 못받는 경우를 보았다. 만약 힘을 받아야 하는 출력부품을 뽑고자 한다면 외벽두께를 높여보길 추천하는 바이다. 

그런데, 피규어와 같은 경우는 좀더 무게감 있는 결과물을 원한다면 모를까 궂이 infill 을 높일 필요는 없다. 

나의 경우는 기본 설정은 15%로 두고 만약 시간을 줄일 목적이 있다고 할 때는 5% 정도로 변경을 해서 출력을 한다.  그러면 원래 시간대비 15% 가까이 시간을 줄일 수 있었다.  0%로 하는 것은 추천하지 않는다. (물론 내부에 lamp 를 설치한다거나 하는 목적에서는 할 수도 있지만)  Top 을 형성할 때에 아래 infill 이 내부 서포트 형태로 작용하여 무너지지 않고 출력이 되도록 해주기 때문에 최소 5%는 주고 진행을 한다. 

결론 : 외부 출력품질의 회손없이 출력시간을 15~20% 가까이 줄일 수 있다.  

단점 : 내부 강도가 받쳐줘야 하는 출력물의 경우는 적용이 곤란하다. 무게가 가벼워져서 출력물이 날아다닌다.  

6. 벽을 얇게 한다.

먼저 아까전에 나왔던 이브이의 출력시간 감소 비밀을 공개하겠다. 

5번에서 언급했던 내부 infill 을 조정하였다. 이렇게 출력할일은 없지만 시간 비교를 위해 설정한 것임을 이해해주길 바란다. 

그런데 약 50% 가까이 시간이 줄어든데에는 infill 과 함께 추가적으로 한가지 더 조정을 해주었다. 그것은 다름아닌 벽의 두께이다. 

벽은 크게 구분하여 수직으로 서 있는 벽과 Top/bottom 이라고 하는 천정과 바닥벽으로 나눌 수 있다. 

6-1) Wall thickness 조정

일반적으로 Wall 라고 하면 수직으로 서있는 벽의 두께를 의미한다. Outerwall 와 inner wall 로 나뉘는데 여기서는 그냥 wall 하나만 생각해보기로 한다. 

그림에서 빨간색과 연두색으로 표시된 부분이 벽(Wall)에 해당하는 부분이다. 모두 합해서 3개의 Wall 가 형성이 되어 있는데 슬라이서마다 어떤 것은 Wall 의 두께로 조정을 하고, 다른 슬라이서는 Wall 의 개수로 입력을 해준다. 만약 개수로 조정하는 것이 있다면 그 두께는 자신의 노즐 사이즈 혹은 Line width 의 정수배로 이해하면 될 것이다. 즉 위의 사진에서 Wall 개수는 3개이므로 0.48mm Line width 이기 때문에 총 1.44mm 의 벽면 두께라고 생각할 수 있다. 

매 Layer 에서 노즐은 여기 보이는 Wall 를 반복해서 이동하며 출력을 진행하는데 infill 15% 정도에서 wall 는 전체 출력시간 중 40%내외를 차지할 정도로 큰 비중을 보이고 있다. 그도 그럴것이 출력이라는 것이 벽을 두르고 내부 채우고.. 이동하고 그게 다이지 않은가. 

그렇기 때문에 Wall 의 개수를 줄이는 것은 출력시간 감소에 큰 영향을 준다. 만약 3개의 Wall 를 2개로 줄이면 10~20% 정도 시간을 감소시킬 수 있다. 

그런데, 지난번 포스팅 글을 읽어보신분을 이미 아시겠지만 불량 현상이 하나 나타날 수 있다. Ghost Effect 라고 하는 현상인데, 출력물 표면에 내부 infill 의 굴곡이 그대로 도드라지는 모양이다. 

이번 포스팅을 위해 Wall 2 로 설정해서 출력한 마네키네코의 뒷모습이다. 뭔가 모를 세로선이 그어진 것은 모두 ghost line 이라고 하는 내부 infill 의 위치이다.  

만약, 이렇게 wall 두께를 줄여서 시간 감소를 하고자 한다면 infill 이전에 wall 부터 출력을 하는 설정을 꼭 해놓고 진행하길 바란다. 큐라에서는 "infill before wall" 의 체크를 해제하고 진행하면 된다. 

6-2) Top/bottom thickness 조정

이 부분은 전체 시간 중에 그리 많이 차지하지는 않는다. 하지만 출력물의 사이즈가 작거나 단면이 넓은 출력의 경우는 상대적으로 시간에 많은 비중을 차지할 수도 있다.  예를 들어 높이 100mm tower 에서는 바닥과 천정이 극히 일부에 지나지 않지만 10mm 큐브에서의 bottom / top 은 20% 가까이 차지하기도 한다. 

반대로 아래 단면적이 넓은 경우 한층을 출력하는데 5분이상 걸리는 것도 있는데, 이때 Top/bottom thickness 를 줄이면 현격한 시간 감소를 얻을 수 있다. 

혹시 top/bottom 이 전체 출력물 중에 어떤부분을 지칭하는지 모르시는 분을 위해 그림 하나로 잠시 설명하고 넘어가도자 한다.

위 그림은 5 layer 까지의 출력 layer view 를 나타내고 있다. 

5 layer 에서 최초로 격자형태의 진한노란색 선이 등장하는데 이것은 앞서 설명한 infill 에 해당한다. 

그런데, 그 직전 4 layer 까지는 밝은노란색이 전체면을 모두 채운 것을 볼 수 있다. 여기까지가 bottom 에 해당한다. 

나는 bottom layer thickness 를 0.8mm 로 해두었기 때문에 0.2mm layer height 에서 총 4개 layer 를 bottom 으로 올리고 나서 다섯번째 layer 부터는 infill 을 시작하는 것이다.  쉽게 말해 infill 로 채우기 이전까지를 bottom 이라고 보면 된다. 

Top 은 bottom 과 반대로 infill 을 끝내고 가장 천장까지 사이에 얼마를 채울 것이냐는 것이다. 

이것을 이해했다면 내부 전체를 촘촘히 채우는 bottom layer 보다 듬성듬성 채우는 infill 이 보다 빨리 layer 를 마치기 때문에 bottom 을 줄여 시간 감소가 가능함을 쉽게 이해할 수 있지 않을까 싶다. 

그런데 무작정 top/bottom 값을 낮출 수는 없다. 나는 최소 3개 layer 를 기준으로 하고 있다. 첫레이어는 면 형성에 의의를 두지만 거칠다. 두번째는 거친 부분을 안정화시키고, 세번째 레이어에서 제대로 출력이 된다는 개념이다.  이런 개념은 bottom 에 비해 Top 형성시 의미가 있다고 보인다. Top 의 첫번째 layer 는 보통 infill 선 위에 형성이 되는데 infill 이 듬성듬성한 위로 대충 걸쳐지고 처지기도 하면서 첫 레이어가 형성된다. 그리고 그 위를 두번째가 안정화 레이어로 작용하고 세번째가 제대로 된 면으로 작동한다고 생각한다.  그래서 나는 3개 레이어는 최소 있어야 하지 않을까 하고 적용하고 있다. 

기본은 0.8mm 로 두고 시간 감소가 필요하다고 하면 0.6mm 로 설정값을 변경하여 출력을 진행하는 것이다. 

결론 : wall, top/bottom thickness 조정만으로 전체 시간 중 10% 가까이 시간 감소 효과를 볼 수 있다.   

단점 : 출력물의 강도가 약해진다. ghost effect 발생시 출력 순서를 바꿔줘야 하는데 overhang 구조물일 경우 레이어 무너짐 가능성이 있다. infill 이 약할 때 top 부분의 구멍이 뚫일 수도 있음. 

7. Overhang 각도를 변경한다

앞서 출력은 벽 / 인필 / 이동 으로 이루어져있다고 언급했는데, 사실 하나가 더 존재한다. 그것은 바로 Support(지지대) 이다. 

support 가 전혀 없이도 출력이 가능한 모델링은 그 자체로 아름답다. 

그러나 대부분의 모델링들은 서포트가 필요하다. 

<출처 : thingiverse (https://www.thingiverse.com/make:454361)>

서포트가 없이도 출력이 가능한 모델링을 만드는 것은 쉽지 않을 때가 많고 일부러 서포트 없어도 되는 모델링을 만들다보면 위 사진처럼 드래곤의 머리가 위로 치켜져 있고 날개도 위로 솟아 있는 형태밖에는 만들 수 없다는 문제도 있다. (물론 이런 디자인도 이쁘긴 하다)

그래서 대부분의 모델링에서 출력시 support 는 거의 필수가 되어 있고, 이 서포트를 어떻게 하느냐에 따라 출력시간 감소로 이어지기도 한다. 

서포트를 줄이는 방법으로는 Support density(밀도)를 낮추는 것도 방법이 될 수 있다. 그리고 너무 듬성듬성한 support 면을 보완해주기 위해 Simplify3d 에서는 dense support 기능을, Cura 에서는 interace support 기능을 써주면 시간을 줄임과 동시에 서포트 접하는 면을 깨끗하게 할 수 있다. 

또 한가지는 서포트 자체를 줄이는 것이다. 

서포트가 아얘 없을 수는 없으나 최소한으로 두는 것이다. 

수동 서포트 기능이 있다면 좋겠지만 만약 수동서포트 기능이 없는 슬라이서를 쓴다고 한다면 suport overhang 각도를 조절해주는것만으로 줄일 수 있다. 

이렇게 할 수 있는 이유는 오버행 각도를 높이더라도 출력에는 이상이 없을 것을 확신할 때에 한해서이다. Overhang 은 쿨링과 관련이 있기 때문에 쿨링이 약한 상태에서 오버행 값을 높이거나 하게 되면 출력물이 흘러내리는 불량이 나타날 수도 있음을 기억하길 바란다.

<오버행 레이어 흘러내림 사진 from 3dprint.com 사이트>

자신의 프린터 overhang 대응 능력이 어느정도인지 알고자 한다면 다음 링크의 2번째 글 overhang 조건 잡는 것을 참조하길 바란다. 

http://bookledge.tistory.com/857?category=718609

이 테스트를 통해서 자신의 프린터 Overhang 능력치가 지금 설정치보다 높다는 사실을 알게 되었다면 과감히 슬라이서 셋팅값을 올려도 좋을 것이다.  

결론 : 서포트 출력량 자체를 줄일 수 있는 Overhang 각도 조정을 통해 출력시간을 일부 줄일 수가 있다.    

단점 : 오버행 각도를 높이면 출력물 무너짐이 생길 수 있고, 이를 해결하기 위해 쿨러를 추가하거나 교체하게 될 때에는 돈이 든다. ㅠㅠ

8. Meshmixer 수동 Support 를 이용한다

이번 방법은 슬라이서내에서가 아닌 조금 확장된 다른 소프트웨어의 힘을 입는 것이다. 추가적인 소프트웨어의 사용을 해야한다는 것 때문에 적용이 부담스러웠는데 한번 써보니 사용법이 그리 어렵지 않고 서포트 제거가 매우 쉬워서 시간 차이가 많이 나거나 기존 서포트는 제거가 힘들것 같다 싶을 때 종종 이용하는 방법이다.  먼저 아래 사진을 보자. 

왼쪽은 슬라이서에 있는 자동서포트를 이용한 모습이다.  반면에 오른쪽은 meshmixer 에서 서포트를 형성시킨 후 stl 파일을 불러온 화면이다.  오른쪽에는 추가적인 슬라이서 서포트를 적용하지 않았다.  일단 메쉬믹서의 서포트의 양 자체가 차이가 난다. 가느다란 나뭇가지 형태로 올라가고 있기 때문에 엄청난 양의 필라를 절약할 수 있게 된다. 자연스럽게 출력시간이 감소되는 것과 동시에 앞서 언급한바와 같이 서포트제거가 무척 간편해진다.  메쉬믹서 서포트 활용한 슬라이싱에 대해 알고 싶다면 아래영상을 참조하면 좋을듯 하다. 

북리지의 Cura강좌 14 - Meshmixer 서포트 사용법

경험상으로는 만약 4시간 정도 걸리는 출력물의 경우 3시간 정도로 20% 이상 시간 감소 효과가 있었다. 

결론 : Meshmixer 의 수동서포트 기능을 사용하면 서포트가 많이 필요한 출력물의 경우 획기적인 시간감소를 경험할 수 있는 방법이다.     

단점 : 메쉬믹서 서포트가 수직으로 서 있지 않고 기울어져 자라는 경우도 있고해서 출력도중 서포트가 쓰러지는 경험을 하기도 한다. 몇번 경험을 해보면 지지대가 약할 것으로 보이는 부분에 추가 서포트를 수동으로 넣어주면 해결가능하다. 

지금까지 4 ~ 8번의 방법은 필라멘트를 적게 쌓음으로써 출력시간을 감소시키는 내용에 대한 것이었다. 이제 남은 2개는 그외에 효율적인 쌓기를 통해 시간을 감소시키는 방법에 대한 것을 다루도록 하겠다.

[효율적으로 쌓는다]

9. 가까이 모아 출력한다.

이 방법은 여러개의 모델링을 한꺼번에 출력하고자 할 때 적용하는 방법이다. 

사람들에게 3D 프린터로 출력해서 선물하는 것중 가장 보편적인 것이 스마트폰 거치대인 것 같다. 스마트폰을 안가지고 다니는 사람은 없기에 스마트폰 거치대를 선물로 하기로 하고 찾다보니 아기자기 예쁜 동물 모양의 거치대가 있어 출력해보았다. 

반응이 괜찮고 출력시 필라 소모도 그리 많지 않기 때문에 이렇게 여러개를 출력해보았는데, 위 사진처럼 출력을 해보면 출력시간이  4시간 58분이 예상시간으로 나왔다.  하나의 출력 이후에 다음 출력물로 이동하는데 걸리는 시간 때문에 1개 출력시간의 9배보다 더 걸리게 된 것이다.  이런 출력을 할 때에는 가능하면 모아주면 좋다. 이동에 걸리는 시간을 최대한 줄여보자는 의미이다. 

예상시간이 얼마 나왔을까?  두둥~  4시간 54분  ㅡㅡ;  4분 감소했다.  이 정도도 감소한건 감소한거다 싶지만 그래도 이리저리 모델링을 옮겨주느라 쏟은 시간을 따지면 별로 이득을 얻지 못했다.

이번에는 조금 새로운 모델링을 가지고 해보겠다.

요즘은 징그럽다는 사람도 있어서 잘 안 뽑고 있는 문어발 모양 스마트폰 거치대인데, 한때 이걸 자주 출력했던적도 있다. 0.2mm layer height 에서 1시간 30분 출력이 되는 것을 4개 위와 같이 배열해서 출력해보니 5시간 46분이 예상시간으로 나왔다.  이것의 배치를 조금 바꿔보겠다.

 

상단을 출력할 때 이동거리가 최소가 될 수 있지 않을까 해서 나름 고민해서 배치했는데 얼마의 시간이 감소했을까? 결과는 5시간 43분 ㅠㅠ

고작 3분의 시간을 줄여고자 3분 넘게 배치를 바꾸려고 애쓰지 않았나..

결론 : 배치를 바꾸면 분명히 시간이 줄어들긴 한다. 쥐똥만큼 아주 조금 말이다.      

단점 : 줄어든 시간보다 배치를 하느라 소요된 시간이 더 클 수가 있다. 그냥 맘 편하게 출력하는게 좋을 듯 싶다.

10. 프린터를 바꾼다.

지난번 카페에서 불량에 대한 질문을 올렸을 때 "프린터를 바꾸세요" 라는 답변을 다신 분들이 계셨는데 장난같은 답변이긴 했지만 어느정도 진실을 담고 있다고 생각된다.

나는 최근 국내 3D 프린터 제작 업체의 사장님으로 부터 Delta 방식의 프린터 한대를 선물받아 사용하게 되었다. 기존의 직교형 프린터중 가장 직관적이라고 하는 내가 쓰던 Prusa 방식의 프린터와는 전혀 다른 구동방식에 놀라와 했고 그 속도에 감탄할 수밖에 없었다. 

내가 프루사 방식에서 80mm/s 속도로 출력하고 있었는데 델타프린터에서는 30mm/s 의 속도로 진행을 하는데도 프루사타입보다 더 빨리 출력이 된다. 

슬라이서에 설정한 속도보다 2배에서 2.5배 가량 더 빨리 출력된다고 느껴졌는데, 이는 속도 설정의 개념이 달라서 그런게 아닐까 생각이 되었다. 

직교형 프린터에서 속도라고 하면 노즐 자체의 이동속도라고 이해해도 크게 상관은 없지만, 델타형에서는 x,y,z 모터의 움직임을 통한 벨트 이동속도가 설정이 되고, 정작 노즐은 삼각함수의 복잡한 계산에 의해서 나타나는 값으로 실제로는 설정된 출력속도보다는 더 빠를 것이라는 생각이 든다.  

그래서 동일한 속도 설정값에서 더 빠르다는 것은 맞지만 노즐의 움직임 입장에서는 직교형과 비교해서 다르지 않다고도 보인다. 

하지만, 2주 정도 사용해보니 델타만의 장점이 분명히 있는 것 같다. 일단  기본적으로 보우덴 방식으로 구성이 되어 있고 노즐 부위의 무게가 가벼우며 모터 3개가 이를 움직이기 때문인지 앞서 운동량과 충격량에 대한 설명에서 나왔던 관성과 충격력이 내가 가지고 있는 직결식 대비 작은 것을 알게 되었다. 관성력 충격량이 작게 되면 가속도를 더 높여도 된다는 말이고 직교형이 가속도 400mm/s2 인데 반하여 델타형은 3000mm/s2 으로 출력을 할 수 있는 결과로 이어진다. 결국 출력시간을 줄일 수 있게 되었다는 뜻이다. 

앞으로 기회가 되면 델타형 프린터에 대한 사용기도 올려볼까 한다.

결론 : 익스트루더가 노즐과 분리되어 있는 보우덴 방식에서는 관성력이 약해서 높은 가속도로 노즐이 움직일 수 있고 이에 따라 출력시간이 감소될 수 있다. 프린터 body 가 안정된 제품의 경우에는 진동에 의한 영향을 적게 받아 출력속도를 더 높일 수 있다. 따라서 프린터 교체 혹은 업그레이드도 출력시간 감소를 위한 한 방법이 될 수 있다.      

단점 : 돈이 든다. ㅠㅠ

[마무리]

앞서 언급했던 10가지 중에서 현실적으로 적용가능한 것은  3번 Line width 를 넓히는 방법과 5,6,8번의 infill 과 벽두께 조절 그리고 meshmixer 를 사용한 수동서포트가 되지 않을까 생각된다. 

그래서 직접 출력을 해보았다. 이를 통해 실제적으로 적용이 가능한지를 확인하며, 출력시간은 과연 어느정도 감소를 가져올 수 있을지를 증거로 삼고자 한다.

일단은 기본 설정으로 출력할 때의 슬라이싱 결과이다. 나름 기존에 최적화되어 있다는 설정값이다.

직교형 프린터 80 mm/s 속도 ,  line width 0.48mm, 15% infill , 벽 3겹, top/bottom 4 layer, overhang 55도 support 생성 

결과 : 1시간 51분

이제 앞서 언급했던 내용을 적용해서 진행해본 결과이다.

직교형 프린터 속도 동일, Line Width 0.6mm, 5% infill, 벽 2겹, top/bottom 3 layer, meshmixer 수동 support 사용

결과 : 1시간 14분 (37% 시간 감소)

실제 출력물 (노즐온도 상승까지 합해 1시간 17분 소요)

서포트 제거후 기존 출력물(reference)과 나란히 비교

가만히 보면 infill before wall 의 체크를 해제 하지 않고 하여 ghost line 이 보이는데 (6-1의 등 사진) 이것을 제외하고는 0.6mm line width 로 하였음에도 layer 결에는 전혀 이상한 부분이 없이 기존 출력물과 동일한 품질을 보임을 알 수가 있었다. 

이 포스팅은 재미삼아 그동안의 여러 경험들을 하나의 주제로 묶어 보는 형식이었지만, 자신이 처한 상황에 따라 단점에 주의하면서 적용해본다면 프린팅 출력에 새로운 시도가 될 수 있지 않을까 생각 한다. 

이상 출력시간을 줄여주는 10가지 방법에 대한 이야기를 마치도록 합니다.

도움이 되셨다면 추천한번 부탁드립니다.

김성민의 북리지 - 함께 성장하는 책 리더십 지혜