[김성민의 삼디 Life] 리트랙션에 영향을 주는 5가지 조건

[김성민의 삼디 Life - 리트랙션에 영향을 주는 5가지 조건]

FDM 방식의 3D 프린터 출력품질에 영향을 미치는 4인방이 있다. 

첫째는 출력속도

둘째는 온도

셋째는 노즐이동 순서

넷째는 리트랙션이다. 

출력속도는 낮으면 낮을 수록 좋은 품질을 낸다.  하지만 출력시간이 증가한다는 단점이 있다.

온도는 너무 낮으면 압출불량이 나지만, 너무 높은 온도에서도 압출불량이 발생할 수 있다. (참고글 : http://bookledge.tistory.com/917)

노즐이동 순서에 따라서도 infill 이 밖으로 도출되는 고스팅이 발생할수도 있고, 외벽 우선이냐 내벽우선이냐에 따라서도 표면 출력 상태가 달라질 수 있다. (참고영상 : https://youtu.be/4i0TM_eeoQI?t=1m23s, https://youtu.be/ULqu1AfO2qY?t=5m25s)

오늘은 그동안 잘 다루지 않았었던 리트랙션에 대해 이야기해보고자 한다. 

0. Intro

리트랙션은 거미줄 현상을 없애기 위해 필요한 슬라이서의 핵심 설정이다. 

거미줄이란 아래 사진속의 헐크 출력물에 나타난 서포트 사이의 지저분한 선들을 말한다.  거미줄이 발생하는 이유는 노즐이 이동할 때 필라멘트의 압출은 멈추지만 중력에 의해 유체상태인 필라멘트가 아래로 떨어지기 때문이다.  

뉴턴의 사과가 지구로 떨어지듯이 가만 놔두면 거미줄이 생길 수 밖에 없다. 

안생기게 해주기 위해서는 떨어지는 녀석들을 한번 위로 당겨주면 된다. 

그게 리트랙션이다. 

물리에서는 사과를 하늘로 던지면 땅에 몇초뒤에 떨어질지를 정확히 계산해 낼 수가 있다.  마찬가지로 녹은 필라가 노즐을 통해 아래로 떨어지는 것도 원리적으로는 계산해낼 수가 있고 만약 그 방법을 안다면 거미줄이 전혀 생기지 않게 하거나, 생기더라도 최소한으로 만드는 것이 가능해질 것이다. (물론 이론과 현실은 차이가 나기도 하지만 말이다.)

이번 포스팅은 그동안 거미줄 때문에 고생을 한 삼디 프린팅 취미생활자들에게 도움이 될까 해서 내가 그동안 경험했던 내용을 기반으로 정리를 해보고자 한다. 

한가지 미리 언급하고자 하는 것이 있다. 

여기 나오는 모든 수치는 나의 프린터의 환경, 필라멘트 종류, 나의 슬라이서 설정값에 의해 정해진 것으로 그 값을 그대로 사용해서는 의미가 없다는 것이다. 

다만, 리트랙션에 영향을 주는 조건이 무엇인지를 알고 

그동안 한가지만 가지고 거미줄을 없애려고 했다면 다른 고려할 사항이 있을 수 있음을 아는데 활용하면 좋겠다. 

그런 의미에서 이번 실험에 진행한 나의 프린터 환경을 기재해놓도록 하겠다. 

<실험환경>

- 프린터 : Anet A8 (AM8 업그레이드) / 프루사타입

- 압출방식 : Direct(직결)

- 익스트루더 : MK8 방식, A8 순정

- 노즐 : e3d 노즐 형태 0.4mm

- 필라멘트 : 중국산 저가

- 외부온도 : 25℃

- 사용 슬라이서 : Cura 3.4.1 

결론부터 말하면 리트랙션에 영향을 주는 5가지는 다음과 같다. 

1. Retraction 거리

2. Retraction 속도

3. 출력온도 (Printing Temp.)

4. 이동속도 (Travel Speed)

5. 노즐조립상태

이제 하나씩 들여다 보고자 한다. 

1. Retraction 거리

리트랙션을 통해 거미줄 현상을 없애고자 할 때 

가장 핵심 요소가 Retraction 거리 임은 두말할 나위가 없다. 

리트랙션 거리가 길면 거미줄이 더 적게 생길 수 있다는 것이다. 

하지만 길면 길수록 다 좋은가? 그렇지 않을 수 있다. 

물론 보우덴 방식에서는 낮은 리트랙션 값에서는 거미줄이 잘 안잡히다가 6 ~ 8 정도로 값을 올리게 되면 거미줄 현상이 줄어드는 것을 경험하게 된다. 

그러나 내가 생각하기에는 이 값의 증가는 노즐내에서 필라멘트를 더 당겨서가 아니라 긴 PTFE 튜브와 그안의 필라멘트와의 간격을 보정해주기 위해 늘어난 값이 아닐까 생각이 든다.  그림으로 보자면 다음과 같다. 

외부에 있는 PTFE 튜브의 내경은 2mm 이고 필라는 1.75mm 를 통상 쓰고 있다. 게다가 필라멘트를 실제 측정해보면 1.7mm 가 나오는 것도 많기에 직경으로 하면 약 15%나 차이가 나는 셈이다. 이 때 압출시에 한쪽 면에 닿았다가 리트랙션이 진행되어 실제로 필라가 당겨지기 위해서는 오른쪽 그림처럼 필라가 PTFE 벽면의 반대에 닿을때까지 당겨져야만 한다.  그 사이에서는 노즐쪽 필라는 전혀 당겨지지 않고 있다. 1차적으로는 이 상황이 직결식보다 보우덴의 리트랙션 거리가 길어지는 결과를 낳는다고 보고 있다. 2차적으로는 필라멘트가 변형이 없는 완전체가 아니라 작긴 하지만 스프링상수를 지닌 늘어나는 물질이라는 특성이 작용한다. (이를 보여주기 위해 최대인장강도 등에 대해 언급하는 것은 오버인듯 해서 이정도 말만 하고 넘어가겠다) 이를 극명하게 보여주는 것이 플렉서블 필라멘트이지만 일반 PLA 의 경우도 길이가 길 경우에 늘어나는데 보이는데, 늘어나는 값은 전체 길이가 길 수록, 당겨지는 힘이 클수록 비례해서 커지게 되기 때문에 그 값도 긴 압출거리를 가지고 있는 보우덴에서는 반영이 되었을 것임에 분명하다. 

(추가사항)  tube backlash 도 보우덴에서 리트랙션 거리가 길어지는 문제를 야기시키는 원인이라고 한다. 만약 PTFE 튜브를 연결 장착한 부위에 아래와 같은 클립이 고정되어 있지 않다면 2~3mm 가량 유격이 발생하고 이는 retraction 거리를 증가시키는 작용을 한다는 것이다. 

이런 이야기를 언급하는 이유는 무조건 리트랙션 거리가 길 수록 좋지는 않다는 것을 말하고자 함이다. (즉, 보우덴에서의 긴 거리는 다 이유가 있었던 것이다)

리트랙션 상황을 그려보았는데, 만약 이상적일 경우에는 다음처럼 될 것이다. 

많이 올라가면 올라갈수록 흘러내리는데 소요되는 시간이 더 걸리기 때문에 거미줄은 현저히 줄어들게 될것을 기대해볼 수 있다. 만약 이상적일 때는 그렇다는 말이다. 

하지만 결과를 확대해보면 다음과 같았다.

직결방식인 내 프린터의 현재 상태에서 2mm 는 양호한 거미줄 상태를 보이고 있다. (물론 이 상태에 만족스럽진 않다. ㅠㅠ)  그러나 8mm 로 올렸을 때를 보면 중간에 출력불량이 발생했음을 볼 수 있다.  이런 결과가 나온 이유는 단순하지 않은 듯 하다. 아마 노즐 내부에서 엄청나게 복잡한 유체역학적인 흐름변화가 있었지 않았을까 예상된다. 하지만 상상의 나래를 펼쳐보자면 이런게 아닐까 싶다. 

위에 이상적인 상태에 대한 다이어그램에서 고체필라멘트와 노즐내에서 녹은 필라멘트가 연속적으로 이어진 것으로 그려놓았다. 

하지만, 그럴리가 없다. 한쪽은 고체이고 한쪽은 액체가 아닌가.  주사기에 물을 담았다가 당겨보는 실험을 해보았다.  주사기 피스톤 부분이 고체필라멘트 부분이고 물이 액체필라멘트 부분이라고 생각해보면서 당겨보았다. 

물론 물과 유체상태의 필라멘트가 동일하진 않겠지만 노즐 내부에서 일어나는 활동이 내가 이상적으로 그려놓은 다이어그램처럼 진행되지 않을 것이라는 것은 짐작할만한 추론이라 생각한다.  빠른 속도로 리트랙션이 당겨지게 되면 필라 뿐만 아니라 노즐 바깥쪽에 있던 공기도 그 안으로 유입이 될것이라는 사실을 생각해볼 수 있다. 

그래서 일까? 직결식에서 리트랙션 거리를 극단적으로 높이게 되면 소위 말하는 '팝핑' 이라는 현상이 발생한다.  공기가 '팝~팝~' 하면서 터치는 소리가 노즐 쪽에서 나게 되는데, 이 소리가 나게 되면 반드시 출력표면에 압출불량과 같은 현상이 나타났다. 

그리고 그 결과가 Retraction 거리 8mm 에서 나타난  불규칙적인 표면이었다. 

이런 생각을 기반으로 하면 개인적으로는 보우덴이라고 하더라도 15mm 이상의 리트랙션을 진행하는 것은 과하지 않은가 하는 생각이 든다. 만약 그 이상의 리트랙션이 필요하다면 그것은 노즐단이 아니라 PTFE 튜빙의 연결상태에 이슈가 있지는 않을까 하는 의심이 들었다. 

어쨋든, 거미줄 제거를 위해 리트랙션 거리의 조정이 필요하지만 너무 과한 리트랙션은 팝핑등과 같은 출력 불량이 날 수 있음을 기억하도록 하자. 

2. Retraction 속도

이번 실험에서는 속도에 따른 유의차가 그다지 많이 나진 않았지만

리트랙션 속도도 분명히 관련이 있다.  

델타 보우덴 방식의 리트랙션 값 설정시의 경험을 이야기해보자면

동일한 리트랙션 거리 5mm 로 설정했을 때에도  50mm/s 속도일때보다 70mm/s 에서 거미줄이 확연히 줄어드는 것을 보았었다.  

그러나 이것 역시 너무 속도를 빨리 높일때 부작용이 나타날 수 있다. 

공기가  딸려오는 특성도 달라질 수 있거니와 더 큰 문제는 빠른 속도는 당길때의 순간압력이 커지게 된다는데 있다. 

 만약 스프링 장력이 충분치 않을 경우에는 기어모터에서 필라의 슬립(미끄러짐)이 발생할 수 있다. 혹은 모터드라이버 전압이 낮을 때에는 익스트루더 모터 탈조가 발생하기도 한다. 슬립이 발생하게 되면 리트랙션 거리는 실제보다 더 적게 당겨지게 되어 결국 더 많은 거미줄이 발생하는 결과를 초래하기도 한다.  게다가 이런 상태에서 잦은 리트랙션이 발생하면 필라가 갈리면서 익스트루더 내부에 필라가루가 날리게 되고, 그 가루만큼이 압출이 안되어 출력 불량으로 이어지기도 한다. 

따라서, 리트랙션 속도도 자신의 프린터가 가지고 있는 적정 속도를 테스트해서 확인해야만 할 것이다. 때로는 익스트루더의 장력스프링을 조절하는 센스도 발휘하길 바란다. 

(속도가 그렇다면 리트랙션 가속도 값도 당연히 영향을 미칠 것이다.)

3. 출력온도

세번째로는 출력온도가 영향을 준다. 

여기서 나는 '노즐'온도 라고 말하려고 하다가 용어를 '출력'온도라고 바꾸었다. 

사실 이 단어보다는 '열흐름' 이라는 표현을 쓰고 싶었지만, 생소한 용어인데다가 슬라이서 설정 파라메타에도 없는 것이기에 기존에 통용되는 용어를 쓰게 되었다.

하지만, 앞선 글들에서 여러번 강조했듯이 노즐의 셋팅 온도는 사실 중요하지 않을 수도 있다.  노즐온도 조건은 동일하더라도 필라의 입장에서 받는 '열흐름'은  출력속도, Layer Height, Line Width, 필라멘트 종류, 사용하는 온도 서미스터의 오차, 주변 온도, 계절 등에 따라 다 다를 수 있기 때문이다. 

따라서, 여기서 말하는 출력온도라고 하는 것은  출력속도, 층간높이, 선폭 등을 포함한다고 생각하며 결과를 봐주길 바란다. 

결과는 이렇게 나왔다. 

온도가 올라가니 거미줄 현상이 현격히 심해지는 결과를 볼 수 있다. 

이는 당연하다 하겠다.  

팬케이크 위에 뿌리는 꿀은 팬케이크 주변으로 서서히 흘러 내려온다. 

만약 꿀이 아니라 물을 뿌리면 어떻게 될까?  물은 순식간에 아래 접시로 흘러내려가 버릴 것이다. 

필라멘트도 온도에 따라 흘러내림의 성질이 다르다. 상온에서는 고체상태이기 때문에 노즐에서 전혀 내려올 기미를 보이지 않는다. 

우리는 알고 있다. 프린팅 하기 위해 노즐 온도를 높이면 어느 순간이 지나면 노즐내에 있던 필라멘트가 줄줄 새서 나오는 현상을 말이다. 

내가 경험하기로는 150도 이상에서부터 서서히 노즐로부터 흘러내렸던것 같다. 

그러다가 온도가 더 올라가면 흘러나오는게 멈추는데 이것은 이미 흘러나갈게 다 빠져나가서 그렇지 더 잘 안흐르게 되어서 그런것은 아닐 것이다. 

온도가 높아지면 필라멘트는 더 물처럼 흐물흐물해지고 더 잘 흐른다. 

리트랙션으로 흘러 내려오는 거리를 벌려놨어도 너무 빨리 내려오는 바람에 기존 설정한 리트랙션 값이 먹질 않는 것이다. 

앞서 나는 출력온도에 대한 관점은 출력속도, 층간높이, 선폭에도 그대로 적용된다고 말한바 있다.  그 관계를 간단히 정리해보면 다음과 같다. 

이를 바탕으로 결과를 다시 재해석 해보면 

출력온도가 높을 수록,

출력속도가 느릴 수록

층간높이가 얇을 수록

선폭이 좁을 수록

다른 조건이 동일할 때 거미줄이 더 잘 생길 수 있는 여지가 많다. 

만약 거미줄을 줄이고자 한다면 자신의 출력 온도조건이 너무 높은 것은 아닌지 확인해보는 것도 하나의 좋은 방법이 될 것이다. 

4. 이동 속도 (Travel Speed)

여기까지 거미줄 발생의 메카니즘을 확실히 이해하고 읽은 분이라면 이동속도가 리트랙션에 영향을 미친다는 것은 자명하게 받아들여질 것이라 생각한다. 

결과부터 공유하겠다. 

낮은 이동속도에서 거미줄이 더 많이 생겼다는 것을 나는 이렇게 해석했다. 

'너무 늦게 가니깐 그 사이에 리트랙션으로 올라갔던 필라가 내려왔구나. '

하지만, 좀 석연찮은 부분도 있다. 거미줄이 생긴 패턴이 마치 출발하자마자 나타난 것처럼 보이기 때문이다. 

이 부분에 대한 정확한 이유는 보다 경험많은 고수분들에게 답변을 남겨놓도록 하고

여기에서는 출력 이동속도가 느릴 때에는 거미줄이 많이 발생할 수 있다는 사실 정도로 정리해보도록 하자. 

하지만, 이것을 몰랐다고 해도 출력이동속도를 낮춰 진행하려고 하는 사람은 없을 것이다.  Cura 에서는 출력속도대비 150%의 값을 이동속도로 잡고 있기 때문에 크게 신경쓸 것은 없다고 판단된다.  다만, 자신의 현재 설정값에서 이동속도가 너무 낮다고 한다면 프린터 가용범위내에서 조금 높여보는 것도 거미줄 제거를 위해 좋은 방법이 아닐까 제안한다. 

5. 노즐 조립상태 (Nozzle Assembly)

최근에 나는 미니 타노스의 완장 제거 프로젝트를 진행하고 있다.  (http://bookledge.tistory.com/941?category=718609)

처음에 쉬울 줄만 알았던 문제가 점차 미궁속으로 빠지다가 이제는 짙은 어둠의 터널을 빠져나오고 있는 과정중인듯 하다.  힘든 문제였지만 그 과정에서 다양한 실험을 해보는 기회가 되었는데, 노즐 교체만해도 10번넘게 하다보니 이제는 너무 익숙하고 쉬운 작업이 되어버렸다. 

그 와중에 이런 실험도 했다.  back pressure 라는 것을 어떻게 줄여볼 수 있을까 하는 생각에 기존 조립방식과는 다르게 내부에 공간을 만들면 어떨가 해서 일부러 노즐목에 들어가는 PTFE tube 를 약 2mm 가량 짧게 해서 조립을 했었다. 

이런 시도를 해보게 된 이유는 내가 인터넷으로 주문해서 도착한 노즐목의 초기 상태가 저랬기 때문이다.  가운데 공간이 있으면 안좋다는 말을 들었던 탓에 늘 PTFE tube 를 새로 잘라서 높이를 맞춰 교체해 넣어줬는데, 혹시나 하는 마음이 들었던 것이다. 

'원래 저렇게 하는게 정상인가?' 

그래서 해보게 되었다. 

이것이 그 결과이다. 

완전 엉망이다. 

이 상태가 되면 리트랙션 거리를 조금 더 올려도 거의 개선이 되지 않는 모습을 보였다. 

개념도를 그려보면 이런게 아닐까 싶다. 

유체의 흐름에 있어서 서서히 커지거나 서서히 작아지는 관은 큰 문제가 없다.

그러나 저렇게 중간에 확 넓어지는 부분이 생기면 문제가 발생을 한다. 

지식검색에서 조금 찾아보니깐 이런 상황을 급격한 단면적 변화가 있을때의 유동이라고 해서 이렇게 나와 있었다. 

<출처 : http://engsoft.co.kr/dgnguide/steam_flow_r1.htm>

뭔지 모르게 한참 복잡하지만 내 눈에 들어온 것은 구석자리에 와류(회전흐름)가 있다는 것이었다.  저런 와류가 발생하면 그 주변부의 압력도 달라진다. 그러면 위에서 필라멘트가 리트랙션으로 당겨진다고 하여 그 부분이 고스란히 깨끗히 채워지면서 당겨지지 않을 것이다. 상식적으로도 그런일은 없을 것 같다. 중간에 넓어진 공간을 채우기 위해서는 당겨지는 속도는 그보다 훨씬 더 빨라야 하고.. 그리고 노즐 끝에서 올라오는 필라도 더 빨라져야 한다. 그러면 연속성에 문제가 발생하게 되는데.. (아휴~ 복잡하다.. 모르겠다)

하지만, 확실한 건 하나가 있다. 그 부분에 공간을 만들었었고, 결과는 처참한 거미줄이 발생했다는 사실이다. 

다양한 노즐 교체 실험을 하면서 비단 위와 같이 PTFE 튜브의 길이가 짧을 때 뿐만 아니라, 노즐 사이즈의 변경, 결합 방법, 노즐목의 길이, 쿨링 방식 등에 따라서도 거미줄이 많이 발생하고 적게 발생할 수 있음을 확인하였다.  리트랙션 조건은 동일했는데도 말이다. 

이를 바탕으로 거미줄로 고생하는 분에게 제안을 하자면, 리트랙션 조건 이전에 노즐과 핫엔드 부위의 조립상태가 어떤지 한번 확인해보라는 것이다.

어쩌면 내가 벌였던 실수들 속에서 중요한 단서를 찾을지도 모른다. 

100. 결론

이상으로 리트랙션에 영향을 주는 5가지 조건에 대해 이야기해 보았다.

처음에는 단순히 거리 정도 조절하면서 조건을 잡았었는데,

조금 깊이 알아가다 보니깐 FDM 프린터라는게 그리 간단하지만은 않다는 것을 크게 느끼게 되었다.  

오늘 다섯가지만 이야기해봤지만 아마도 더 경험많은 고수님들 중에는 이보다 많은 요인들을 알고 계신분도 있으리라 생각한다. 

언젠가는 나도 하나씩 다 알아가는 때가 오겠지만,

그전까지 삼디프린터 취미생활자로서 지금처럼 새로운 것들을 알아내고, 문제를 해결해가는 과정의 즐거움을 잃지 않았으면 좋겠다. 

그리고 누군가에게 이 글이 도움이 되기를.....

마지막으로, 그동안 이번 실험에 등장했던 쌍둥이 기둥들의 합동인사를 하고 마치도록 하겠다. 

(도움이 되셨다면 추천한번을.... ^^ )

 

김성민의 북리지 - 함께 성장하는 책 리더십 지혜

(추가글)

위 내용을 바탕으로 응용을 해보자면

만약 현재 설정 상태에서 거미줄이 많을 경우에는

1. 리트랙션 거리를 높인다 (그러나 너무 높이진 않는다)

2. 리트랙션 속도를 높인다 (그러나 너무 과한 속도는 피한다)

3. 출력온도를 낮춘다. (압출불량이 일어나지 않고 층간 접합에 문제없는 선에서 조정한다)

4. 이동속도를 높인다. (만약 너무 낮은 이동속도로 설정이 되어 있다면 이 값을 프린팅 속도 대비 1.5배 정도까지 조정해본다)

5. 필라를 빼서 재장착 하거나, 노즐과 노즐목을 해체한 후 재조립한다. (이때, 테프론 튜브의 장착상태도 한번 확인해본다)

이 외에도 노즐 사이즈가 작은걸 쓰면 당연히 잘 안흘러내려서 거미줄 개선에 도움이 될 수 있습니다. 그리고 익스트루더 핫엔드 셋을 고가의 정품을 쓰게 되면 거미줄 개선에 도움이 된다고 하더군요. ^^   

즐거운 프린팅 생활 되세요.