[김성민의 삼디 Life] 작은 에펠탑 출력 성공을 위한 5가지 Tip

[김성민의 삼디 Life - 작은 에필탑 출력 성공의 5가지 Tip]

3D 프린터를 구입하고 나서 꼭 한번 출력해보고 싶어하는 에펠탑

별거 있겠나 싶어 출력에 도전해보면 알게 된다. 극악의 난이도라는 사실을

만약 자신의 프린터가 이제 막 조립을 마친 상태라면 에펠탑 출력을 조금 미뤄두는게 좋을 것이다. 

이번 글에서는 에펠탑을 작게 출력하는데 성공한 경험을 바탕으로 

3D 프린터 출력에 대한 5가지 노하우를 공유하고자 한다. 

에펠탑 출력에 성공할 수 있다면 그 난이도만큼이나  프린터의 성능, 최적화, 그리고 출력 조건을 잡는 나의 능력이 성장했음을 뜻할 것이다. 

1. 안정적인 하드웨어

안정적인 하드웨어는 모든 출력 성공의 기본조건이다. 

그런데, 다른 출력의 경우는 조금 불안정해도 표면이 거칠뿐 출력이 불가능하지는 않은것에 반해 에펠탑은 실패할 확률이 높다.  

예를 들어 위의 왼쪽 큐브 사진과 같이 표면에 와블 형태가 심할 경우는 이것부터 잡고 가야만 한다.  그 이유는 에펠탑의 구조를 보면 알 수 있다. 

위 사진은 내가 처음으로 220 mm 높이의 에펠탑을 출력했을 때 슬라이서에서 확인해보았던 것이다.  첫번째 사진에서 볼 것은 에펠탑의 2층 난간에 해당하는 부분이다.  두번째 사진은 한층 올리기 위해 받쳐주는 무수한 구조물들인데 공통점이 있다. 

필라멘트를 점하나 찍으며 적층이 이루어진다는 것이다. 

이것을 그림으로 그려보면 다음과 같다. 

1,3 은 레이어간의 위치가 틀어지지 않고 곧게 올라가는 경우이고, 2,4는 동일한 정도로 흔들림이 있어 층간 위치가 0.1~0.2mm 정도 흔들리는 경우를 가정해서 그려보았다. 앞서 큐브 사진의 왼쪽 보라색의 경우라 생각하면 되겠다. 

레이어가 닿는 면적이 넓은 1,2 의 경우는 출력에 문제가 없다. 특히 2번과 같은 경우도 layer 가 고르지 않은 점이 있지만 출력은 된다.  하지만 에펠탑과 같이 층간 닿는 면적이 극도로 작은 구조, 즉 3, 4와 같은 경우는 이야기가 달라진다. 

하드웨어가 안정적으로 셋팅이 되어 있을 때는 3과 같이 적층에 전혀 문제가 없지만 4를 보면 어때 보이는가? 뭔가 불안불안 하지 않은가?  4는 틀어지는 정도에 있어서 2와 완전히 동일한데도 불구하고 전혀 다른 상황이 되어버리는 것이다.  그림으로 그려서 위로 적층된  것처럼 보이지만 4는 구조가 올라갈 수가 없다.  번개표시로 해놓은 부분은 필라가 위에 올라가지 못하고 노즐에 필라똥을 달고 다니다가 다른 곳에 뭉치로 붙어 버릴 것이다.  그리고 해당 레이어는 존재하지 않기 때문에 그 위로 올라가야 할 층들도 모두 존재할 수가 없게 된다. 허공에 뿌려대다가 앉아 있을 때가 없는 필라는 노즐에서 떨어지지 못하고 계속 앉을만한 곳을 찾아 헤매다가 어딘가에 이상한 형태로 붙어버리게 될 것이다. 

만약 에펠탑을 어느정도 이쁘게 출력해보고자 하는 분이라면 적어도 와블이라고 하는 Z 축의 들쑥날쑥한 층결을 해결하고 나서 도전해보길 바란다.  이를 위해 에펠탑에 앞서 단순한 형태인 큐브를 많이 뽑아보길 추천한다. 

2. 속도, 특히 이동속도

하드웨어의 안정성이 확보되었다면 이제 출력 조건이 중요하게 된다. 

일반적인 출력물의 경우는 출력품질에 영향을 주는 가장 주요한 조건은 '속도' 이다.

그중에 가장 핵심은 출력속도(Printing Speed)인데 에펠탑의 경우는 다르다. 

아래 그림을 보자. 

일반적인 다른 출력의 경우는 한참을 출력하다가 한번 이동하고 또 계속 출력하다가를 반복한다.  즉 출력시간이 이동보다 더 길다는 것이다.  그러나 에펠탑은 트러스트 구조를 만들기 위해 위 그림에서 보는바와 같이 출력의 시간은 극히 짧고 이동(Travel)의 시간과 구간이 더 빈번한 형태를 띄고 있다.  

슬라이서의 기본 셋팅에서는 출력 품질에 영향을 미치는 주요 요소가 Printing speed 이기 때문에 이 부분은 좋은 품질을 얻고자 하는 부분. 예를 들면 Outer wall (외벽)의 경우는 속도를 기본 printing 속도 보다 절반 가량 낮춰서 진행하는 것이 default 로 되어 있는 것을 보게 된다.  그러나 Travel speed 는 출력 품질과 별로 관련이 없다고 여겨 속도가 printing speed 보다 높다.  내가 cura 에서 기본 출력 Speed 를 80mm/s 로 했을 때 다음과 같았다. 

Outer wall Speed (40mm/s)  <  Printing Speed (80mm/s) < Travel Speed (120mm/s)

그러나 위 그림에서 볼 수 있듯이 에펠탑의 트러스트구조는 출력속도에 의해 좌우되는 것이 아니라 이동속도(Travel Speed)에 의해 영향을 받는 것을 알 수 있다. 

따라서 이동속도를 낮춰야 한다.  어느 정도 낮출지는 프린터의 상태에 따라 달라질 수 있으나 일단 지금보다는 낮춰야 한다.  나의 경우는 Travel Speed 를 출력속도와 동일한  80mm/s 로 두니 잘 출력이 되었다.  이것을 안했을 때의 나의 첫 에펠탑은 가장 취약한 2층난간 부위에서 문제가 생겼었다. 

필라가 제대로 안착될 시간도 없었는데 바로 이동을 빠르게 해버리니 제대로 구조가 올라갈일이 없었을 것으로 본다.    

두번째 Tip 은 Travel 속도를 낮춰라 이다. 

3.  리트랙션으로 거미줄을 제거하라

뭐 이건 당연한 말로 보일 수 있다. 

그런데 에펠탑을 출력하면서 조금 새로운 경험을 하게 되었다. 

나는 일전에 '왕초보의 출력조건 잡기 4가지' 라는 제목의 글에서 나의 Retraction 값에 대한 실험을 했었던적이 있다. (http://bookledge.tistory.com/857?category=718609  3번째 실험 참조) 

리트랙션 값은 material(필라멘트)에 따라 달라지는 값이지만 일반적인 출력물에서 거미줄 형태를 보이지 않으면 크게 바꿀 필요는 못느껴서 retraction distance 로 나는 1mm 를 설정해서 쓰고 있었다.  그런데.. 에펠탑을 출력하다보니 이런 상황이 벌어졌다. 

보통의 출력물에서는 1mm 라는 값이 적절하다고 느꼈는데 에펠탑에서는 왜 이토록 많은 거미줄이 발생하는 것일까? 

저렇게 거미줄이 발생하면 출력은 되지만 출력이 끝나고 나서 거미줄 제거 작업을 별도로 해줘야 하고 제거된 부위가 그리 깨끗하지 못하다는 단점이 있다. 또한 거미줄로 나온 필라멘트는 어딘가에 구조로 형성되었어야 하는 필라인데 그게 거미줄로 나와 버렸다는 것은 구조의 특정 부분이 취약해졌을 수 있음을 말해준다. 따라서 거미줄은 없애야 한다. 

해결방법은 간단하다. 리트랙션 값을 조금 올리면 곧바로 해결된다.  다음은 기존의 1mm 에서 1.5mm 로 올리고 나서 출력한 결과이다. 

0.5mm 차이로 그 많던 거미줄이 거의 사라진것을 볼 수 있었다. 

그런데 왜 이런 현상이 벌어지는 것일까? 

내가 생각한 원인에 대해 썰을 풀어보겠다.  이 개념을 갖게 되면 비단 에펠탑뿐만 아니라 다른 출력물의 조건을 잡을 때도 도움되지 않을까 싶다. 

필라멘트가 거미줄을 형성하는 것은 필라가 열을 받으면서 고체가 아니라 어느정도 유동성이 있는 액체의 성격을 띄기 때문이다. 만약 극단적으로 열을 아주 많이 받아서 완전 액체가 되어버린다면 (그전에 타버리긴 하겠지만) 필라는 뚝뚝 물처럼 떨어질런지도 모른다. 반대로 완전 고체라면 압출된 그 자리에만 딱 버티고 있고 압출안된 곳에는 필라를 뿌리지 않을 것이다.  그런데 우리가 다루는 필라는 고체와 완전액체 사이의 유동성이 있는 중간 형태라는게 문제다.  이 중간 상태는 온도가 어느정도이냐에 따라서 필라의 흐름 정도가 달라질것임은 직관적으로 이해할 수 있을 것이다. 

만약 온도가 적정온도보다 높을 경우는 흐르는 성질이 더 많아져서 이동시 거미줄이 보다 쉽게 나타날 것이다.  그런데 리트랙션 tuning 시와 Eiffel tower 의 온도는 동일했는데 왜 달라졌을까? 

이것을 설명하기 위해 온도 조건을 Tuning 하기 위해 Temperature Tower 를 만들었던 예를 들어보도록 하겠다. 

위 tower 에서 가장 낮은 온도인 175도의 경우를 보면 다른 영역보다 표면광택 정도가 낮은 것을 보게 된다.  처음에 보았을 때 신기했다. 온도에 따라 광택이 달라지는구나 하는 새로운 앎이었던 것이다. 

그런데, 출력을 하다보면 분명 온도는 190도 셋팅인데 표면이 위 사진의 175도 정도의 광택을 보이는 경우가 있었다.  온도는 바뀌지 않았는데 왜 표면 광택이 바뀐 것일까? 

그런 현상이 벌어질 때마다 내가 관찰했던 것은 압출량이 달라졌었다는 것이다.  예를 들어 평소사용하는 0.2mm layer height 가 아닌 0.32 정도로 layer height 를 높였을 때 그런 현상이 나타났다. 단지 층간 높이 차이에 따른 빛반사 정도가 달라서 그런 것일까? 이후로 동일한 층간 높이에도 line width 등을 변경하는 실험에서도 비슷한 양상을 보게된 나는 이것이 압출량에 의해 발생했다고 결론을 내렸다. 

그러면 다음 문제로 왜 압출량에 따라 190도 온도특성이었던 것이 175도의 특성으로 바뀌느냐는 것이다.   그 이유는 앞서 표현했던 그림인 노즐의 압출속도와 열전달 관계에 있다고 판단된다.  다시 그림을 보며 설명해보겠다. 

필라멘트가 흐물거리는 것은 히터블럭이 열을 가해주기 때문이다. 

히터블럭의 온도는 Extruder Temp. 이라는 값으로 고정된 채 출력이 진행된다. 

그런데, 노즐 온도는 고정되어 있지만, 필라멘트에 가해지는 '열' 자체는 고정되지 않는다. 

열은 '열전달' 혹은 에너지 이동에 관한 문제이기 때문에 노즐이 어떤 빠르기로 히터블럭을 통과하느냐에 따라서 열을 받는 정도가 달라질 것이라는 말이다. 뜨거운 냄비에 빠르게 손을 만졌다가 떼면 괜찮지만 오랫동안 만지고 있으면 화상을 입는 것도 같은 이치이다.

앞서 언급한 표면 광택이 낮아진 것을 이렇게 생각해 볼 수 있겠다. 압출량이 많아지는 경우, 즉 Ve 값이 커지게 되면 노즐이 히터블럭을 통과하는 속도가 빨라진다.  빨라진다는 것은 단위시간동안 필라에 전달되는 열이 적을 수 밖에 없고, 이는 애초 190도로 설정된 온도가 아닌 175도 정도의 온도만큼의 열이 필라에 가해졌을 것으로 추론해볼 수 있겠다.  

아마 고수들은 이미 이런 현상에 대해 다 알고 있을 것이다. Cura 의 Experiment 에 보면 Auto Temperature 라는 기능이 있다는 사실을 최근에 들어 알게 되었다. 

이 기능의 설명을 읽어보면 다음과 같다. 

"해당 레이어의 평균적인 압출 속도에 맞춰 각 레이어의 온도를 변화시킨다" 

좀더 살펴보고 다음 포스팅에서 자세히 다뤄보도록 하겠지만 아마도 압출량이 많아지면 그에 맞추어 온도를 높이고, 압출량이 적어지면 온도를 낮추는 방식으로 자동 온도변화 로직이 짜여져있을 것으로 예상된다. 

너무 오래 돌아돌아 왔는데, 이제 에펠탑의 거미줄로 적용해보도록 하겠다. 

에펠탑의 트러스트 구조에서는 압출량이 극히 적다. 실제로 10cm 높이의 eiffel tower 를 만드는데 시간은 2시간 정도 걸리지만 사용한 필라양은 9g 밖에 되지 않는 것을 보면 알 수 있다.  

압출량이 작다는 말은 Ve 가 낮다는 것이고, 히터블럭을 통과하는 속도가 낮아 상대적으로 열전달이 많아졌다는 것으로 생각해볼 수 있다.  이는 설정온도가 190도로 동일하지만 실제로는 (추측해보자면) 200도 혹은 210도 정도의 온도에서의 열전달양일 가능성이 높다.  그러면 거미줄이 왕창 나왔던 이유도 설명이 된다. 더 액체화 되었고 흐름이 좋아졌을 것이니깐 말이다.  거미줄이 형성이 된 사진에서 트러스트 구조가 나오기 이전의 바닥 통짜 출력물 영역에서는 거미줄이 없음을 볼 수 있는데 이것도 같은 방식으로 해석할 수가 있다. 

거미줄 없애는 해결방법은 2가지, 출력온도를 낮춘다 / 리트랙션거리를 높인다.  나는 리트랙션 거리 0.5mm 높여 해결을 했지만 여러분들도 한번 테스트를 해보길 바란다. 

이를 응용하면 layer height 를 높일 때나 출력속도를 높여서 진행할 때는 온도를 평소보다 10도정도 높여서 진행하는게 좋을 것이라는 생각에도 이르게 된다. 

4.  출력 모델링 선정

에펠탑이라고 다 똑같은 에펠탑이 아니었다. 

싱기버스에서 에펠탑을 검색해보면 정말 엄청나게 많은 에펠탑 모델링이 나온다. 

 

일반적으로는 가장 먼저 나온 한두개가 제일 많은 사람들에 의해서 관심과 사랑을 받은 것으로 대충 그것들 중에 선택하면 크게 실패할 일은 없다.  그런데 에펠탑의 경우는 다르다.  에펠탑은 어떤 모델링을 선택하느냐에 따라 출력 성공의 확률을 다르게 할 수가 있다.   왜냐하면 가장 처음에 나와 있는 에펠탑의 경우는 트러스트 구조가 매우 얇게 형성되어 있다. 따라서 적층의 난이도가 상당하다. 한순간 삐끗하게 되면 도미노처럼 모든 구조가 쓰러질지도 모르는 위태로운 모델링이라고 할 수 있다.  이런 모델링의 경우는 크게 출력할 때에는 문제가 없지만 크기를 줄이게 되면 슬라이서가 트러스트 구조를 형성해주지 못한다.  따라서 적절한 모델링을 선택해줘야 하는데 내가 선택한 것은 네번째 있는 다음의 모델링이다. 

https://www.thingiverse.com/thing:1276837

이 모델링을 올려놓은 사람도 처음에 다른 모델링이 너무 난이도가 높아서 자신이 트러스트구조를 자신의 0.5노즐로 형성할 수 있도록 조금씩 굵게 수정을 하였다고 말한다. 이 출력의 경우는 150mm 정도로 출력할 시 안정적인 프린터의 경우는 그리 어렵지 않게 출력할 수 있을 것이다. 

네번째 Tip. 은 출력에 용이한 적절한 모델링을 선택하라. 였다. 

5.  Horizontal Expansion 기능사용

안정된 하드웨어, 리트랙션, 이동속도, 온도조건, 모델링 을 다 했다고 하더라도 에펠탑의 크기를 줄여버리면 말짱 헛것이 된다. 트러스트 구조가 슬라이싱 하고 나면 다 사라져버리기 때문이다.  다음의 100% 로 했을 때와 크기를 줄인 61% 로 했을때의 결과를 비교해보길 바란다.

오른쪽 화살표 위치에 있어야 할 트러스트가 모두 사라져버린걸 볼 수 있다. 이는 노즐의 사이즈에 비해 트러스트 구조물이 더 가늘기 때문에 형성이 안된 것이다. 해결방법은 더 작은 노즐을 쓰게 되면 가능할 수는 있다. 그러나 0.4 nozzle 을 교체하지 않고도 그대로 출력이 가능한 방법이 있으니 그것은 Cura 슬라이서의 Horizontal Expansion 을 사용해보는 것이다.  이 기능은 OC 카페의 '레드캐럿' 님한테서 알게 된 기능으로  앞선 포스팅에서도 한번 언급했던 적이 있다. (참고 : http://bookledge.tistory.com/876 3번째  )

Size dimension 을 맞춰야 할 때 사용한다고 했는데, 이 기능을 사용하면 에펠탑의 크기를 줄여도 트러스트가 무너지지 않고 제대로 출력되게 만들 수 있다.  Horizontal Expansion 에 음의 값이 아니라 양의 값을 넣어주기만 하면 간단하게 된다. 

나는 이 값을 0.2mm 만 주었다. 이 정도만 해줘도 노즐 사이즈 0.4이기에 좌우로 하면 충분히 트러스트 형성이 가능하다고 본 것이다.  결과는 이렇게 나왔다. 

사이즈를 줄이면서 살아져 버린 트러스트 구조가 다 살아났다. 마법이 실행된 것 같다. 앞서 큰 출력물에서도 무참히 무너져버렸던 에펠탑의 2층 난간은 어떻게 되었을까? 아래 사진이 바로 그 부분을 출력할 때의 모습이다. 

난간도 굵직굵직하게 출력하게 되면서 취약했던 것이 보강되는 모습을 볼 수 있다. 

그렇다. 내가 작은 에펠탑을 출력할 수 있었던 가장 핵심적인 비밀이라고 한다면 Horizontal Expansion 이었다고 할 수 있다.   

여러분들도 작은 구조물을 출력하고자 할 때 (날개달린 포켓몬을 출력한다거나) horizontal expansion 을 조금 늘려서 해보길 바란다. 그러면 얇아서 사라졌던 날개가 다시 돌아오는 경험을 하게 될 것이다. 

이상으로 작은 에펠탑 출력 성공의 5가지 Tip 의 글을 마치겠다. 

아무쪼록 여기 나와 있는 내용들이 에펠탑뿐만 아니라 다른 모델링 출력에도 도움이 되는 정보가 되길 바란다. 

즐거운 3D 프린팅 생활 되시길....

김성민의 북리지 - 함께 성장하는 책 리더십 지혜