[김성민의 삼디 Life - 미니 타노스 완장 제거 프로젝트 (완결)]
> 이동 후 압출 부족 현상에 대한 해결
한달전쯤에 미니타노스 '완장' 이라는 제목으로 문제해결 진행사항에 대한 글을 올렸었다. 아직 그 글을 읽지 않으셨던 분은 다음 링크에서 읽고 오시면 내용 이해에 도움이 될 것이다. (참고 : http://bookledge.tistory.com/941?category=718609)
이번 글에서는 다음으로 미루었던 실험 이야기와 나름 생각하는 문제의 근본원인 그리고 해결방법과 결과를 공유하도록 하겠다.
1. 무엇이 완장인가?
'완장이라는 표현은 이번 미니타노스를 출력하는 과정에서 임의로 붙인 명칭이다. 이름을 붙인다는 것은 프로젝트에 의미와 애착을 두게 하는 나만의 의식이다. 지난번 베이비그루트 '여드름' 이란 표현으로 프로젝트를 진행했을 때처럼 뭔가 특징적인 것을 찾다가 마치 완장을 찬것처럼 선이 그어졌다고 해서 그렇게 이름을 붙였다.
하지만, 여드름과는 달리 완장이란 표현은 모델링의 오른팔이라는 위치에 한정된 느낌이 있기에 이곳에서 다시한번 명확하게 정의를 내리고 앞으로의 이야기를 진행하고자 한다.
완장은 한마디로 말하면 "이동 후 일시적 압출부족 현상" 을 말한다.
지난번 글에서도 언급하였던바와 같이 이것은 프린터 몸체의 흔들림이나 Z 축의 불균일함등의 문제가 전혀 아니다. 압출에 관련한 문제로 인식하지 않고 해결하려다보면 선무당이 사람잡는다고 엄한 파츠를 비싸게 구입해 교체는 교체대로 시간은 시간대로 쓰고도 해결되지 않을 수 있다. 지난번 글은 그 근본원인을 찾기 위한 나의 삽질기라고 보면 되겠다.
이제 완장에 대한 정의를 명확히 하였다면 다음으로 이 완장 해결이 왜 그토록 중요한지를 이야기해보겠다.
2. 왜 완장 문제해결이 중요한가?
완장은 많은 경우에는 슬라이싱 의 조건값이나 슬라이서 프로그램 자체를 변경함으로 가려버릴 수 있다. 내가 없앤다는 표현대신에 '가려버린다' 라는 말을 쓴 것에 주목해보길 바란다. 이말은 완장자체를 없애기 보다 눈에 보이지 않게 한다는 것을 의미하는 것으로 작은 조건값 설정만으로 가려버릴 수 있다. 이말은 뒤집어 보면 조건값에 따라 얼마든지 나타날 수 있다는 말과도 같다.
다음 사진은 여전히 이동후 압출량 부족을 경험하고 있지만 아주 교묘하게 완장이 안나타나게 출력한 미니타노스이다.
위 결과물은 키슬라이서(Kisslicer)라는 슬라이싱 프로그램을 이용해서 SD 카드를 이용해 출력 진행한 결과이다. 아무래도 SD 카드 진행이다보니 표면 여드름효과도 없어 훨씬 깨끗하게 나온것을 눈으로도 쉽게 확인해볼 수 있다. 그리고, 이것은 문제의 완장을 최초 목격했던 Cura 슬라이서에서도 보이지 않게 만들 수 있다. optimize slicing order 의 체크를 변경해주고, seam 형태를 다른식으로 바꾸면 쉽게 사라져버리는걸 볼 수 있다.
그러나, 이것은 해결이 아니라 앞서 말한바와 같이 감춘것에 불과하다. 표면 외벽에 나타나지 않았을 뿐 저기 내부에 어딘가에는 이동후 압출 부족 부분이 존재하기 때문이다.
카페에 수많은 질문들이 올라오고 있는데, 내가 답변을 달았거나 스스로 완장 여부를 의심하는 몇가지 사례를 가져와보았다.
<출처 : OpenCreators 카페 회원님들 사례>
슬라이서로 감추는데도 한계가 있다. 슬라이싱을 하다보면 어쩔 수 없이 보여지는 부분에 드러나게 되는 경우가 있는데, 이 모든 경우를 일일히 감추는 것은 불가능하다고 생각한다.
나의 경우도 완장 문제에 기반을 둔 여러 출력 문제들을 겪어 왔다.
1. 미니타노스의 완장과 동일한 형태로 나타난다. 다른 레이어보다 살짝 움푹 들어간 형태로 말이다.
2. 이동후에 압출량이 불량하다보니 에펠탑의 트러스 구조를 만드는데 있어서는 안정적이지 못하고 들쭉날쭉한 형태를 관찰하게 된다.
3. 레이어 표면이 한줄 빠져있는 듯한 모습을 보이기도 한다.
4. 나사 구멍같은 것을 만들 때나 외곽선부분에 파인 홈이 나타나는 것을 보기도 한다.
만약 완장 하나를 해결할 수 있다면 어떨까?
분명, 출력 퀄리티 상승이라는 쾌거를 얻을 수 있을 것이라 본다.
3. 완장과 압출불량 구분
압출불량의 원인은 수십가지가 있다. 이 모든 것이 다 완장은 아니다.
압출불량을 크게 3가지로 구분해보자면 다음과 같다.
1) 전체적으로 압출이 불량한 상황
2) 처음에는 잘 나오다가 중간 이후부터 계속 압출불량인 상태
3) 이동 후 압출 부족 현상
1) 전체적인 압출불량 상황
1번 압출불량의 가장 극단적인 형태라면 필라를 넣지 않고 출력을 거는상황일 것이다. 그러나 현실적으로 그런 일은 드물기 때문에 가장 빈번한 것으로는 입문자들이 최근 가장 많이 경험하는 스펀지같은 출력 상태가 아닐까 싶다.
(출처 : OC 카페 soday님 문제해결 사진)
위의 질문을 올리셨던 분은 titan 이라고 하는 기어비가 있는 익스트루더로 교체하면서 적정 step 값 설정을 안했던 것이 압출불량의 원인이었다. 하지만 이런 스펀지 형태의 압출불량은 익스트루더 변경이 아니더라도 쉽게 찾아보거나, 만들어 낼 수 있다. 입문자들이 슬라이서 프로그램에서 필라멘트 직경 설정을 1.75가 아닌 2.85mm 로 해두었을때가 그런경우이다. 이는 너무나 유명한 문제이지만 처음 삼디프린터를 구매해서 사용하려고 하는 사람들에게는 무척 당황스러운 일이 아닐 수 없다. 여기서는 짧게 나마 그 부분을 언급하고자 하는데 그 이유는 이번에 큐라 3.5로 바뀌면서 해당 문제에 대한 접근이 조금 달라졌기 때문이다.
큐라는 특이하게도 필라직경에 대한 default 설정값이 2.85로 되어 있다. 만약 1.75가 default 라면 아무도 이런 문제를 직면하지 않을 텐데 참 아쉬운일이다. 아마 외국에서는 2.85가 보다 보편으로 사용되는 필라여서가 아닐까 추측해본다. 아니면 Cura 슬라이서를 제작한 Ultimaker 사에서 내놓는 프린터가 2.85 필라를 사용하던지..
해결방법은 다음의 장비(machine) 설정의 extruder 탭에서 값을 바꾸어주면 된다.
큐라버전 3.4.1 까지만 하더라도 출력조건 설정항목에서 diameter 라는 것을 찾아 바꿔주어야 했었는데, 3.5에서는 그 항목 자체가 사라져버렸다. 꼭 기억해두길 바란다.
2) 출력 중간부터 압출 불량이 발생하는 상황
2번 압출불량 상황은 대부분 온도와 출력속도와의 관계에서 발생한다. 쉽게 말해 출력도중에 노즐이 막히는 것이다. 조금 다른말로는 노즐목이 jam 이 되어버리는 거라 말할 수 있을 것이다. 이에 대해서는 일전에 OC 카페의 야풍님께서 정리를 잘해두었기에 그 링크를 남기는걸로 설명을 대신하고자 한다.
3) 이동후 압출부족 상황
3번에 해당하는 대표적인 원인은 이전에 이미 공유했던 적이 있다.
<참고 : http://bookledge.tistory.com/869?category=718609>
간략히 언급만 해보자면 하나는 익스트루더 스프링의 장력이 약해서 익스트루더 기어가 필라를 제대로 꽉 잡아서 밀어주지 못하기 때문이다. 빠른 회전속도에 의해 슬립이 발생하는 상황이다. 완성형 프린터라든지 직접 자작을 하게 될 경우는 잘 발생하지 않으나 조립식 프린터의 경우 공장에서 나올때 셋팅된 장력값이 최적화되어 있지 않기 때문에 드물지 않게 발생하는 문제이다. 그러나 이에 대해 어떻게 조치한다는 가이드가 거의 없기 때문에 조립제품 사용자를 곤혹스럽게 만든다.
만약 이것이 원인이라면 해결방법은 스프링의 장력을 조금 올리면 된다.
두번째로는 큐라의 Combing 으로 인해 발생하는 문제이다. combing 은 거미줄이 발생하지 않도록 하기 위해 이동시 이미 출력된 표면을 훑고 지나가게 하는 기능인데, 이 기능이 예상치 못한 결과를 만들어낸다. 즉, 출력 표면을 훑고 지나가면서 노즐안쪽에 붙들고 있는 필라를 표면에 뿌리면서 다닌다는 것이다. 이동하면서 한참을 표면에 필라를 빼앗기고 나니 다시 출력을 재개하는 시점에서 필라가 모자랄 수 밖에.. 그래서 이동후 '압출량 부족' 현상이 발생한다.
이 문제는 큐라 3.4 버전부터 생긴 combing 시 리트랙션 활성화가 가능해지면서 해결가능하지만, 3.4이상을 사용하더라도 default 설정값이 이전 상태로 맞춰져 있기 때문에 여전히 압출부족이 발생한다. 그래서 나는 압출부족 현상이 발생할 때 무조건 combing 은 OFF 상태로 두고 진행해볼 것을 조언하지만 여기에서는 근본적인 문제해결방법을 공유하도록 한다. 방법은 간단하다. max comb distance with No Retract (리트랙션 없이 combing 으로 이동하는 최대거리) 에 0 대신 어떤 값을 입력하는 것이다.
위 사진처럼 1로 바꾸면 1mm 를 넘는 이동거리에서는 반드시 리트랙션을 동반한 combing 이 되는 것이다. 이렇게 되면 이동후 압출부족 현상을 줄이거나 없앨 수 있다.
그러나 지금까지 언급한 것은 '완장' 에 대한 것이 아니다.
나는 이 모든 것들을 다 조정하고 조치하였음에도 불구하고 완장을 피할 수 없었다.
과연 무엇이 문제였던 것일까?
4. Special Thanks to
글을 이어가기에 앞서서 이 문제해결에 도움을 주신 분들을 기억하고자 한다.
어쩌면 이번 문제해결은 이분들이 다 하신거라 해도 과언이 아니라는 생각을 한다. 나는 그저 그 내용들을 엮는 역할을 하였을 뿐이다.
- 대구|혁 님 - 60% 미니타노스 최초 유포자 / 열 팽창에 대한 의견 제시
- 바다품은 강변어부 - gcode 파일공유로 가장 처음 테스트해주심
- 라이카라이카 님 - 완장 제거를 위한 동기부여 / MK8 No완장 결과 공유
- HUNMU 님 - 완장관련 추가글을 통해 열띤 관심과 논의 제공
- 절대권력 님- 필라 종류에 따른 차이 의견 제시
- lys9348 님- PLA 와 PETG 간의 결과 차이 공유
- 미드론 님- e3d 노즐 관련 테스트 진행, e3d 노즐에서 완장 재현
- styx 님- 온도에 따른 필라 액상화 관점 제시
- 태양계 님- extra prime amount 방법 제시
- 비주얼YS 님- 완장해결에 대한 아이디어와 실험결과 지속적 공유
그외에도 올려놓은 gcode 를 통해 직접 테스트를 해주신 수없이 많은 분들이 이 결과에 대한 숨은 공로자임을 밝혀두고자 한다.
5. 여러시도와 가설들
사실 결론은 간단하다. 그러나 그 결론이 하나 나오기 까지의 과정은 수없이 많은 가설들을 검증해가는 과정이 있었다. 어쩌면 누군가는 이미 알고 있었던 당연한 것일 수도 있을 그 간단한 지식하나를 직접 찾기 위해 거쳐야했던 시행착오의 연속들..
하지만 그 과정속에서 참 많은 것들을 배우고 알게 되는 시간이었다.
욕심같아서는 그속에서 배웠던 내용들을 이곳 완장제거 완결기에 모두 기재하고 싶기도 하였으나 (실제로 그렇게 하기로 계획까지 세웠었다) 빨리 결론을 보고자 하는 독자들도 생각이 났고, 그 많은 내용을 담아내기에는 내 역량과 체력의 한계로 이번 글에서는 완장에 대한 결론을 바로 들어가도록 하겠다.
어쩌면 가까운 시일내로 완장제거 진행하면서 알게된 정보를 글이나 영상을 통해 하나씩 공유하게 되리라 생각한다.
여기서는 시도했지만 실패했던 가설들을 나열하는것으로 지난한 과정에 대한 서술을 마치고자 한다.
<시도했지만 실패했던, 그러나 많이 배우게 되었던 가설들>
- 보우덴과 직결식에 따른 내부 압출압력의 차이가 원인?
- 압출진행중 멈췄을 때 발생하는 Back pressure 가 원인?
- 익스트루더 기어이빨 개수에 따른 압출 resolution 이 원인? 26이빨, 40이빨?
- 익스트루더 스텝값에 따른 resolution 이 원인? 16분주보다 32분주?
- 익스트루더 모터의 성능에 따른 이동후 밀림 현상? A8 stock vs. LDO stepper?
- 리트랙션 이후 원복시 압출거리 차이 발생? 연속압출과 리트랙션 100회반복 압출?
- 필라멘트의 경도와 패임 정도에 따른 현상?
지난글에서 다루었던 글을 제외하고 새롭게 고민했고 시도했지만 실패했던 가설들은 이정도 될 듯 하다.
이제 결론의 장으로 넘어가도록 하겠다.
6. 완장의 근본원인은 Tg
완장의 원인은 PLA 의 낮은 Tg 였다. 그리고 이를 뒷받침해주었어야 할 노즐목 쿨링에 관한 문제이다.
아마도 경험이 많은 분이라면 이 이야기를 듣고 이미 모든걸 간파했을지도 모른다.
하지만 이글은 나와 같은 초보자의 눈높이에서 이해해보고자 하는 목적이기에 좀더 자세한 내용을 이제부터 이야기해보도록 하겠다.
아마 삼디프린터 취미생활자라면 지난여름에 한번쯤 경험해보지 않았을까 싶다. 자동차 안에 멋지게 출력해놓았던 출력물이 녹아져 휘어버리는 경험을 말이다.
<출처 : Youtuber 'Tinkerine' 채널>
PLA 는 친환경 소재라는 인식과 함께 ABS 나 PETG 등의 다른 필라멘트에 비해 출력 난이도가 비교적 쉽기 때문에 가정용 취미생활자에게 입문용으로 많이 사용되고 있는 필라멘트이다. 특히 중국산 저가 조립식 프린터들이 대부분 챔버가 없는 타입이다보니 PLA가 출력가능한 유일한 필라이기까지 하다. (그렇다고 다른 필라를 못하는것은 아니지만 쉽지 않다)
하지만, 이런 PLA 에게 가장 큰 아킬레스건이 있으니 그것은 바로 열에 의한 변형특성이다. 녹는점은 170도 이상에서 녹기 시작하지만, 흐물흐물해지기 시작하는 점은 60도를 넘어서면서 낌새를 보인다. 이 흐물거리기 시작하는 온도 지점을 Tg (glass transition temperature : 유리전이온도) 라고 한다.
<출처 : polymerinnovationblog.com>
위에 아주 복잡하게 생긴 그래프가 있는데.. 온도가 올라가다가 60도 근방에서 약간 출렁거리는 부분이 Tg 라는 정보를 주고 있습니다. Tg 를 전후로 해서 그 이전까지는 단단함을 유지하다가 온도가 Tg 를 넘어가는 순간부터 흐물거리게 되어 형태를 변형시키는게 가능해진다.
갑자기 Tg 에 대해 이야기를 시작한 이유는 완장이 이와 깊은 관련성이 있다고 생각했기 때문이다. 완장은 앞서 정의 내린바와 같이 '이동 후 압출량 부족' 현상이다. 이는 지난번 글에서 공유했던바와 같이 리트랙션과는 관련이 없다. 일정거리 이상의 이동이 있으면 나타나는 것인데, 이동하는 중간에 어떤 일이 벌어지는게 틀림이 없었다.
무슨일이 그 짧은 이동순간에 발생하는 것일까? 온갖 테스트를 진행하다가 최정적으로 다음과 같은 이미지를 떠올리게 되었다.
출력과 출력 사이에 있는 이동시에 필라멘트 압출은 끊기지만 유일하게 지속되는 것이 있으니 그것은 노즐히팅이었다. 흔히 Printing Temperature 라고 하는 값은 상수값으로 주기에 고정적인 값이라 오해하지만, 실제로는 노즐과 노즐목사이에서 상당히 복잡한 방식으로 움직이는 동적인 값이라 할 수 있다. 추운겨울날 편의점에서 산 뜨거운 캔커피를 들고 있으면 손이 따뜻해지지만 그와 동시에 캔커피는 점차 차가와지는 것도 열이라고 하는 변화무쌍한 녀석의 단면이라고 하겠다. 히팅블럭이라고 하는 뜨거운 캔커피가 필라멘트라고 하는 차가운 손을 만났을 때도 같은 식의 열이동이 발생한다.
여기서 차이는 캔커피는 이미 열공급이 끊긴 상태이지만, 필라멘트에 가해지는 히팅블럭의 열은 지속적으로 공급이 된다는 차이가 있다.
열 공급이 지속적으로 되고 출력이 이어진다면 열교환에 있어서 평형상태가 이루어진다. 줄다리기를 생각하면 된다. 양쪽팀이 모두 힘을 써서 어떤 한쪽으로도 치우치지 않고 승부를 보지 못하고 있는 상태말이다.
한쪽팀은 히팅블럭이고, 다른한팀은 필라멘트이다. 히팅블럭이 계속 뜨겁게 유지되고 필라멘트가 동일한 속도로 계속 공급만 된다면 이런 평형은 지속될 것이다. 그런데 히팅블럭으로 공급이 되는 필라멘트가 멈추는 유일한 순간이 발생하는데, 이때가 바로 '이동'의 순간이다.
필라멘트팀이 낮은 열공급의 힘을 놓는 순간, 승부는 급속도로 히팅블럭쪽으로 기울게 된다. 열이 노즐목을 타고 올라가게 되면서 새로운 평형을 찾아 떠나게 된다. 이는 Tg 영역이 넓어지는 결과를 가져온다.
노즐목에서 열의 줄다리기가 한쪽으로 치우치게 되면 그 안에 있던 필라멘트가 달라진다.
Tg 영역이 넓어지게 되면서 이전까지는 괜찮다가 갑자기 흐물거리게 되는 PLA 가 생기게 되는 것이다. 이것을 표현해보면 다음 그림과 같을 것이다.
Tg 점 아래에서의 PLA 는 단단한 플라스틱으로 움직여지지만 Tg 점 위에 노출된 PLA 는 그렇지 못하다. 흐물거리는 젤리형태로 밀려나게 되는데, 문제는 그 길목의 도로가 상당히 넓다는 것이다. 테프론 튜브의 내경은 2.0mm , 우리가 주로쓰는 PLA 의 직경은 1.75mm 실제론 1.70 mm 가 되기도 한다. 흐물거리는 필라가 직선으로 밀어주지 못하고 휘어지면서 실제로 압출이 되어야 하는 양보다 적은 압출이 진행되고 이것이 '압출부족' 으로 이어진다.
압출부족이 계속 되진 못하고 다시 이전의 평형상태를 되찾게 된다.
그럼 그동안 부족했던 압출량은 어디로 가게 될 것인가? 익스트루더는 정확히 압출을 하였기에 부족했던 양만큼은 평형상태가 되었을때 어딘가 압출과다한 부분이 생길 것으로 여겨진다. 이 때문에 부족한 압출량을 보전해주기 위해 retraction prime amount 의 값을 조절하는 것은 방법이 아니라고 생각한다.
여기까지가 완장문제를 Tg 가 원인일 것이라 보는 '가설' 이었다. 한마디로 내 상상속의 이야기라는 뜻이다. 이게 과연 그럴까? 그것을 증명해보여야 하는 일이 숙제로 남았다.
7. 가설의 검증
일단, 내 가설이 맞다고 하였을 때 압출량 부족으로 나타나려면 얼마정도의 Tg 영향권이 달라지면 문제가 생기게 될까? 그것을 알아보는 것은 어렵지 않았다. 이는 계산을 통해서 알 수도 있고, gcode 를 읽어보면 나오는 건데 자세한 계산과정이나 gcode 분석법은 여기서는 생략하기로 하겠다. 결과는 다음과 같이 나왔다.
20mm 거리의 출력에 필요한 필라 압출거리는 고작 0.78mm 정도밖에는 안되는 것이었다. 그러니깐, 필라 흐물거림에 의해 압출거리가 1mm 도 채 안되게 바뀌어도 이동후 압출부족이 발생할 수 있는 것이었다. (실제로 압출이 아얘 안되는 것이 아니므로 더 작은 값의 변화만 가지고도 압출부족현상이 발생할 수 있는 상황이다)
일단 이 가설의 가능성이 크다고 생각하며 결과를 분석해보기 시작하였다.
동일한 Gcode 를 이용해서 진행한 미니타노스 출력에 있어서 완장이 나타나는 조합과 그렇지 않은 조합간의 어떤 공통점과 차이점을 볼 수 있었다.
먼저는 보우덴 방식에서는 완장현상을 거의 볼수 없었다.
그리고 MK8 타입의 핫엔드에서는 대부분 완장을 볼 수 있었지만, 예외가 존재했다.
e3d 타입에서는 거의 완장이 없었으나, 이 테이블을 만들고 나서 이후 진행한 내용 중에 e3d 핫엔드에서도 완장이 발생하였다. 이 차이를 자세히 들여다 보면 답이 나올 수 있을 것이다.
1) Tg 가 높은 필라에서는 나타나지 않아야 한다.
가장 먼저 힌트를 주신 분은 lys9348 님이었다. 이 분은 평소에 PETG 를 주로 사용하는데 미니타노스 완장 프로젝트를 위해 PLA 출력을 해보았다는 것이다. 프린터는 직결방식에 MK8 방식의 핫엔드를 가지고 있는 프루사 타입이었다. 완장은 발생했다.
그런데 얼마 지나지 않아 lys9348님게서 결과에 혼선을 주지 않을까 싶다면서 조심스럽게 새로운 결과를 올려주셨는데, 동일한 프린터에 같은 gcode 를 사용해서 온도조건만 바꾸어서 PETG 를 출력을 했는데 그때는 완장이 발생하지 않았다는 것이었다. 어쩌면 이것이 완장이 발생하지 않은 MK8 최초 사례가 아니었나 싶다. 물론 그 당시는 이게 뭔일인가? 하고 혼란스러웠지만 시간이 지나 정보가 하나씩 쌓이다 보니 알게 되었다. (이 결론에 이르기 전에는 필라멘트 hardness 와 모터기어에 홈이 파이는 정도에 따른 차이등을 헤집고 다니기도 하였다.) 이건 문제를 Tg 의 관점으로 보았을 때 너무나 당연한 사실이었다. 다음을 보도록 하자.
<출처 : cosineadditive.com >
PETG 나 ABS 등은 기본적으로 PLA 보다 Tg 점이 높다. 이동시 노즐목에서 온도이동이 발생하더라도 흐물거릴 확률이 낮아지는 것이다.
혹시 몰라 늘 완장문제를 일으키고 있던 나의 프린터에서 ABS 필라를 얻어 출력을 해보았다. 다음이 그 결과이다.
비록 챔버없이 진행하면서 레이어 갈라짐은 발생했지만 '완장은 없었다'
Tg 가 상대적으로 높은 ABS 였기 때문에 이동시 열확산에 따른 필라 영향이 적었다고 해석해볼 수 있었다.
2) 동일한 MK8 핫엔드에서 나타나지 않는 것은 무엇인가?
가장 혼란에 빠뜨린 결과가 강변어부님과 라이카님의 MK8 핫엔드 에서의 완장 미발생이었다. 기존에 있던 노즐셋과 익스트루더에 뭔가 변화를 주었다고 하는데, 가장 눈에 들어오는 것은 익스트루더 기어의 이빨이 26개에서 40개로 바꾸었다는 변화 때문에 그것을 파헤치려고 헤매는 시간을 가졌었다. 이제 Tg 의 관점에서 해석해보면 다음과 같다.
강변어부님은 노즐목 쿨링을 전혀 하지 않은 상태로 출력 진행하였다고 했다. 이는 이미 열 줄다리기에서 한참을 히팅블럭이 먹고 들어갔다는 뜻이 된다. 즉, 필라가 힘이빠져 열후퇴가 될 여지가 거의 없었지 않았을까.. 자세한 것은 추가 테스트를 진행해보면 알겠으나 만약 이 가설이 맞다면 강변어부님의 프린터 노즐목에 쿨링을 시작하는 동시에 완장이 발생할 가능성이 무척 크다고 할 수 있다. 강변어부님의 서브 프린터가 특수한 환경에서 진행하기에 노즐목 쿨링이 없었지만 (혹시 피크재질이면 모르겠다.) 일반적으로 노즐목 쿨링이 진행되지 않게 되면 노즐이 막혀서 압출불량이 발생할 가능성이 커지기 때문에 추천할 만한 해결방법은 아닐 것이다. 만일 이 이유가 아니라면 MK8 노즐셋이지만 보우덴 방식으로 결합을 해놓았다는 것이 원인일 수도 있겠다. 이에 대해서는 나의 상상만으로 이야기하는것에는 한계가 있어 이정도로 마치도록 하겠다.
라이카님은 MK8 노즐셋을 사용하지만 기존에 있던 A8 용을 제거하고 별도로 구입한 것으로 Swap 해서 출력을 진행하였다고 한다. 이를테면 아래 노즐목도 기존 일자형이 아니라 중간에 홈이 파진 형태를 사용하고 있었다.
<출처 : 라이카라이카님의 댓글 사진>
그러나 단지 노즐목의 홈 때문에 Tg 에 의한 영향이 줄어든것은 아닐것으로 생각된다. 아마도 익스트루더와 히트싱크의 결합을 Cooling 에 최적화하여 조립해놓은 것이 아닐까 추측한다. (맞는지 확인 부탁드립니다.)
실제로 라이카님은 다시 A8 순정 노즐셋으로 변경이후 완장을 재현해내었다는 답글을 달았었다.
그렇다면 왜 A8 순정 노즐셋에서는 문제가 발생하는가?
앞서서 히터블럭과 필라멘트와의 줄다리기라는 비유를 썼다. 그러나 한가지 빼먹은 선수가 있는데, 필라멘트 쪽 뒤에 지키고 있는 히트싱크와 팬의 존재이다. 히트싱크와 팬이 제대로 역할을 해준다면 만약 필라멘트 선수가 줄다리기 힘을 놓았을 때에도 평형은 쉽게 깨지지 않는다. 그런데, 문제는 A8 순정 노즐셋에는 히트싱크와 팬이 제대로 역할을 못한다는데 있다. 실제로 방열판과 팬을 떼고도 별 어려움 없이 출력이 잘된다고 증언하는 사용자가 많을 정도이다. 이전에는 그럼에도 불구하고 방열판과 팬을 잘 조립해놔야 한다고 질문에 대한 답글로 여러차례 이야기했었지만, 지금에 와서는 A8 이라면 없애도 상관없다고 말할 수 있다. 사실 말은 이렇게 했지만, 없애는 것보다 제대로 알고 조립이 되어야 한다는 말이 정확하다고 하겠다.
A8 순정 익스트루더 셋은 MK8 타입을 따른 형태이다. 그런데 Tg 의 관점으로 쿨링에 대해 생각해보며 다시 확인해보니 너무 말도 안되는 형태임을 알게 되었다.
히트싱크의 목적은 열을 잘 식혀주어야 한다. 열을 잘 식힌다는 말은 열을 잘 빼앗는다는 말과 동의어일것이다. 열을 잘 빼앗으려고 하면 열전달이 잘 되어야 하는데, A8 순정에는 열전달을 막는 2개의 장벽이 존재한다.
첫번째 장벽은 노즐목과 익스트루더 셋트 사이의 공간이다.
이렇게 조립을 하는데, 조립 영상 어디에도 그 틈사이를 어떻게 해줘야 한다는 언급이 없다. 그냥 가조립된 상태로 가져다 쓸 뿐이다. 그런데 실제로 어떻게 해야하는가? 열에 대해 기본 상식이 있는 사람이라면 당연히 이 사이를 Thermal paste 를 바른 다음에 조립을 할 것이다. 그렇게 하지 않으면 노즐목과 익스트루더 나사산 사이에 공간이 공기로 채워져 있게 되어 둘은 열을 잘 전달시키는 곳이 아니라 열 전달을 막는 장벽으로 작용하게 될 것이다. (기체가 고체보다 열전달 계수가 훨씬 낮다) 노즐목을 그냥 노즐이 통과하는 길목으로만 생각하면 안된다. 열이 지나가는 길목이 되어야 한다. 그리고 그 열은 히트싱크까지 전달되어야만 한다.
두번째 장벽은 히트싱크 자체에 있다.
A8 에 쓰이는 딱 봐도 저렴해 보이는 이 히트 싱크는 검은색이다. 문제는 이 검은색이 뭔가의 코팅으로 만들어져 있다는 것이다. 알루미늄 자체라면 열전도가 높아서 히트싱크 역할을 제대로 해주겠지만, 저 코팅의 재질이 무엇일지 무척 궁금하다. 아마 열 전달을 방해하는 물질일 가능성이 크다. 게다가 이것이 조립되는 방식도 익스트루더 세트 하단과 접할 때 이곳에서 thermal paste 가 들어가지 않고 그냥 갖다 대는 방식이다. 열이 제대로 전달되거나 식힐 수 없는 구조인 것이다.
그래서 Youtube 영상에 보면 중국산 저가 extruder set 을 사서 (아마 열에 대한 개념이 있는 사람일 듯) 이 부분의 접합을 위해 공을 드리는 모습도 보게 된다.
<출처 : Youtube "Dirk Herrendoerfer" 채널>
3) e3d 노즐셋에서도 나타나는 완장
첫번째 미완의 프로젝트라는 글을 올리고 얼마지나지 않아 '미드론'님께서 자신의 프린터로 미니타노스를 출력해서 보여주었다. 그때 당시 e3d 노즐셋에 무척 기대를 하고 있던 상황이었는데, 미드론님이 보내준 사진은 나를 더욱 혼란케 만들었다. e3d 노즐셋에서 완장이 발생한 것이었다.
내가 만드는 완장보다는 정도가 약했지만 분명 완장 형상이 나타났다. e3d 노즐셋의 구조에 답이 있다고 생각하고 있던 내게는 도무지 알 수 없는 상황이어서 하나씩 분석해보기로 하였고, Tg 의 관점으로 바라보았을 때 문제점을 확인할 수 있었다.
가만히 보내준 사진을 보다보니 다음과 같은 것을 알 수 있었다.
미드론님의 e3d 의 히트싱크와 히트 브레이크(노즐목)사이, 그리고 히터블럭과 노즐목 사이에 뭔지 모를 이물질이 보이는 것이었다. 처음에는 아래쪽 누런색 이물질에 집중했는데, 좀더 살펴보면서 알게 된것은 위쪽에 있는 하얀색 물질이었다.
이 하얀색은 노즐목과 히트싱크의 결합을 단단히 하기 위해 감아놓은 테프론테이프였다.
나 역시 히터블럭 사이틈으로 필라가 새어나오는 경험을 했었기에 노즐근처의 나사를 연결할 때에는 습관적으로 테프론 튜브를 사용하고 있었다. 게다가 무척 튼튼히 감아놓기 까지 했다. 그런데, Tg 의 관점으로 보니 망연자실해졌다. 그동안 내가 무엇을 했던가. 일단 아래쪽에 히터블럭과 노즐목을 감는 것은 나빠보이지 않는다. 하지만 위쪽에 감는 것은 어떨까? 테프론은 열전달계수가 낮기로 유명하다. 알루미늄이 247인데 비해 테프론은 0.25밖에 안되니 말이다. 테프론은 열 가림막 역할을 한다는 것이다. 그런데 그것이 히트싱크와 히트브레이커 사이에 존재하는 것이다. 당연히 제대로된 쿨링이 될 수가 없고, 필라멘트쪽 줄다리기 VIP 선수 없이 경기를 치뤄야 하는 상황이 된 것이다.
나는 이점을 착안하여 미드론님에게 안에 테프론 테이프를 제거한후 thermal paste 를 바른다음 다시 미니타노스를 출력해볼 것을 부탁했다. 그리고 다음 사진이 그 결과이다.
물론 다른 레이어 불량은 남아 있지만, 오른팔에 둘러 있던 완장은 사라진것을 확인할 수있었다.
앞서 두가지 사례를 통해 알 수 있던 중요한 사실은 Tg 가 원인이 되었지만, 그것이 드러나게 하느냐 그렇지 않느냐에 있어서 Cooling 이 중요했다. 노즐목 쿨링이 단지 노즐을 막히지 않게 만드는 역할만 한다고 생각했는데, 이런 미세 메카니즘에 영향을 미칠 수 있음을 알게 되었다.
4) 선폭을 넓게 했더니 완장이 생겨났다?
다음은 대구|혁님께서 유레카를 외치며 완장재현에 성공한 케이스이다.
왼쪽은 완장이 살짝 비치고 있고, 오른쪽은 완장이 없는 개끗한 상태이다.
둘의 차이는 출력 선폭에 있었다. 왼쪽은 0.6mm line width, 오른쪽은 0.3mm line width
왜 이런 결과를 가져왔을까?
앞서 계속해서 비유로 들었던바와 같이 줄다리기로 생각하면 다음과 같다.
출력선폭이 넓다는 것은 좁을 때에 비해 2배가량 압출량이 많다는 것이다. 2배가량 차가운 필라멘트가 더 빨리 공급이 되는 상황이다. 줄다리기 경기에서 오른쪽의 필라멘트 팀의 체력좋은 선수가 뛰고 있는 상황인 것이다. 그에 반해 0.3mm line width 는 약한 선수들로만 이루어져 경기가 진행되고 있다. 이 둘은 중간점의 위치는 다르지만 각각 평형을 이룬 상태에 진행되고 있다가 필라멘트 측 선수들이 순간 힘을 놓는다면 평형은 어느쪽이 더 크게 무너질 것인가?
당연히 힘쎈 선수가 힘을 놓는 순간 더 빨리 평형이 흔들릴 것이고, 이는 Tg zone 이 더 빨리 위로 확장되는 것을 의미하기에 앞서 말한 가설에 의하면 이동후 압출부족이 나타날 가능성이 커진다고 할 수 있다.
여기까지가 나의 가설을 바탕으로 의문이 되었던 각각의 현상에 대한 설명이다. 천동설보다 지동설을 가지고 천체를 관측할 때 별들의 움직임이 보다 잘 설명 되었던것처럼 현재는 Tg Zone 의 이동 관점을 가지고 바라보니 미스테리가 풀리게 된다고 말할 수 있다.
사실 가설의 증명이라고 하면 그 내부 메카니즘을 실제로 보고 영상이나 사진등을 통해 보여줘야 할텐데 귀납적으로 이정도로 해석해보는 것이 나의 한계라고 하겠다. 보다 전문적인 분석은 나의 글을 바탕으로 각 기관에서 심층적인 실험을 진행해보길 바란다.
8. 완장문제의 해결
지금까지의 내용을 바탕으로 완장문제를 해결하는 것은 한가지만 있는 것이 아님을 알았을 것이다. 즉, 단순히 e3d 노즐셋으로 교체하는게 답이 아닐 수 있다는 것이다.
먼저는 나의 노즐목 쿨링 상태가 제대로 되어 있는지를 확인해보고 열 전달의 관점에서 thermal paste 를 이용한 올바른 조립이 되어야하겠다. 어쩌면 그것이 문제를 해결하는 가장 바람직한 방법이 아닐까 싶다. 비싼 노즐셋으로 바꿔야 잘 나올 수 있다면 세상은 가진자들에게만 너무 유리한 곳이 될테니 말이다.
여러가지 접근방법이 있지만, 나는 중국산 e3d V6 clone 을 구입해놓았기에 그것을 적용해보기로 하였다. 이미 업질러진 물이지만 지금 글을 정리해서 쓰는 시점에서 생각해보면 기존 노즐셋에 앞선 영상처럼 사포로 히트싱크의 코팅을 벗겨내고, 써멀 구리스를 사이에 발라 결과를 보지 못했던 점이 아쉽기만 하다. (알리에서 주문해놓은 써멀구리스와 노즐목에 장착할 수 있는 원형 히트싱크보다 e3d v6 가 먼저 도착했다는 영향도 컸다.) 만약 A8 사용자나 MK8 직결식 익스트루더 셋을 사용하시는 분들중 완장과 같은 현상을 경험하는 분은 앞선 내용을 적용해보고 결과를 댓글로 남겨주길 바란다. 많은 사람들에게 도움이 되는 정보가될 것이다.
나는 e3d V6 clone 으로 다음과 같이 교체를 하였다.
그리고 이동후 압출부족 현상에 대한 테스트를 해보았더니 다음과 같은 결과를 보였다.
이동후 압출량 부족 현상이 사라져버렸다. 얏호!!!
이런 실험 결과가 실제 출력에서는 어떤 모습으로 나타날 것인가?
먼저 10cm 높이의 작은 에펠탑 결과물이다.
에펠탑은 트러스 구조로 되어 있어 계속해서 끊임없이 이동하면서 출력을 하기 때문에 이동후 압출부족 제대로 관찰할 수 있는 출력물이다. 나의 경우는 출력조건 세팅을 절묘하게 해두었기에 그나마 출력은 된 상태이지만, 지금의 결과물과 비교해보면 오징어로 보인다.
자신감이 붙다보니 얼마전 아들이 출력해달라고 했던 베틀그라운드의 Scar 라고 하는 총을 뽑아보았다. 길이 5cm 의 아주 작은 총을 말이다.
성공 경험은 중요한 것 같다. 한번 이런게 성공을 하니깐, 친구들 선물 주라며 여러개를 동시에 출력해보기도 하였다. 이동후 압출부족현상이 있었다면 총구는 모두 뭉개졌을 거라 생각한다.
티라노도 출력을 했는데... 이게 정녕 내 프린터에서 출력이 된건가 하고 아침에 일어나 깜놀하는 순간이었다.
9. 맺음말
이제 글을 마치고자 한다.
지난번 베이비그루트 여드름 치료 프로젝트때도 그랬지만, 문제의 근본원인을 찾아가는 과정에서 참 많이 배울 수 있게 되는 것 같다. 사실 알고보면 별거 아니고 누군가는 이미 다 알고 있었을 내용이기에 이렇게 긴 글로 쓴다는게 읽는 이들에게는 번거롭고 부담되는 것이 아닐까 하는 생각도 하지만 어쩌겠는가 이게 내 스타일인걸...
시행착오와 좌충우돌의 적나라한 모습이 다 드러나 있는 내 글 속에서 누군가는 작으나마 도움이 되었다면 그것으로 만족하고자 한다.
모두들 즐거운 프린팅 생활 되시길~~!!
고맙다 미니타노스야~!
김성민의 북리지 - 함께 성장하는 책 리더십 지혜
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