Fig. 1-1.
출력 실패는 결과물 하나로 끝나지 않는다. 장비 안에 남은 작은 흔적이 다음 실패의 원인이 된다.
FDM 프린터를 이해 하기 까지
처음 FDM 프린터를 켜고, 작은 테스트 모델을 출력했을 때의 기분을 지금도 생생히 기억 하고 있다. 화면에서만 보던 형상이 실제 물체가 되어 나온다. 노즐이 움직이고, 얇은 선이 쌓이고, 어느 순간 손으로 잡을 수 있는 물건이 된다. 그 순간에는 마치 새로운 제작 도구를 얻은 것처럼 느껴진다. 첫 출력이 성공했다고 해서 FDM 3D프린터를 이해한 것은 아니다. 오히려 첫 출력은 장비가 움직이는지 확인하는 단계에 가깝다. 내가 그렇게 욕심이 많은 사람도 아닌데 작정 하고 시작 하니 조금씩 아쉬운 부분이 나타나기 시작했다.
베드에 붙지 않는다.
조금 더 큰 부품을 출력했더니 모서리가 들린다.
얇고 긴 부품을 출력했더니 휘어진다.
축이 홀에 들어가지 않는다.
표면에 실처럼 필라멘트가 늘어진다.
서포트를 제거했더니 표면이 거칠게 뜯긴다.
분명 같은 파일인데 어제는 잘 됐고, 오늘은 실패한다.
이때 많은 사람이 생각한다.
“뭐가 문제인 건가?”
“설정을 잘못 건드린 건가?”
“필라멘트가 문제인가?”
“FDM 프린터의 한계인가?”
물론 장비 문제일 수 있다. 소재 문제도 있을 수 있다. 설정이 틀렸을 수도 있다. 처음에는 어떤 문제 하나를 찾아 그것을 해결 하면 될것으로 생각했지만, 어느정도 사용해 보면서 터득 한것은 하나의 원인을 바로 단정하는 것은 좋지 않다 라는것 이었다. 출력물이 보여주는 증상을 보고, 원인을 좁혀가는 그러한 작업들이 이어지면서 보다 좋은 품질의 결과물을 만들어 갈 수 있었다. FDM 3D프린터는 우리가 흔히 프린터라고 부르는 A4 종이를 프린트 하는 그런 기술이 아니라, 작업자의 세심한 관찰력으로 조건을 만들고 컨트롤 하여 제작 기술이라고 말할 수 있을것 같다.
출력 품질의 시작점
FDM 프린터를 처음 사용하면 대부분 작은 모델부터 출력한다. 프린터를 산 사람이라면 누구나 다 출력해본 보트, 간단한 피규어, 손바닥 안에 들어오는 장식품 같은 것들이다. 이런 출력물은 비교적 성공하기 쉽다. 면적이 작고, 높이가 낮고, 조립 공차를 크게 신경 쓰지 않아도 되기 때문이다. 하지만 실제로 무언가를 만들기 시작하면 조건이 달라진다.
저는 처음에 수납 부품을 만들었는데. 베드에 제대로 붙지 않았다.
처음에 매우 당황했다. 어제 분명히 잘 붙었는데, 왜 이러지?
베드에 붙지 않으므로 해서 헤드에 필라멘트가 똥처럼 엉겨 붙어 버린다.
엉겨 붙기를 몇번 하더니 핫엔드가 휘어져 버렸다.
핫엔드가 휘어진 상태에서 밤새 돌면서 여기저기 다 치고 다녀
이 한번의 사고로 처음 구매한 프린터는 사망전 까지 가기도 하였다.
이 사건으로 나는 처음에 생각했던 그 복사기 같은 프린터에서 FDM 프린터를 다르게 보기 시작하였다.
종이 프린터는 항상 같은 조건에서 같은 결과물을 수없이 만들어 낸다. 하지만, 그 역사를 들여다 보면 내가 중학교때쯤에 종이 프린터는 정말 신기한 존재 같았다. 집에 PC도 없었지만 프린터는 회사에서도 그때는 흔히 볼 수 없었다. 내가 프린터를 본것은 1994년도에 처음 본것 같다. 그때는 잉크젯 이었고 있었다 하여도 쉽게 출력 되지 않았다. 10장을 순식간에 출력 한다는것은 거의 꿈같은 일이었다. 하지만, 지금은 어떠한가. 지금은 책도 복사기를 이용하여 수만장을 출력하여 만들수도 있을 정도 이지 않은가? 그것을 경험 한 나로써닌 지금의 3D 프린터도 같은 길을 가고 있다고 생각한다. 그래서 지금은 같은 파일로 계속 똑같이 출력을 해도 결과물이 습도와 온도 필라멘트의 특성 등에 따라 달라지고 같은 파일이라도 슬라이서의 설정과 소재가 바뀌면 결과가 달라진다. 또한, 설정시 노즐 온도가 바뀌면 표면이 달라진다. 속도가 바뀌면 모서리에 미세한 변화가 생기고, 냉각이 강하면 오버행은 좋아질 수 있지만 레이어 접착이 약해질 수 있다. 베드는 내 손보다도 자주 씻는것 처럼 조금만 오염되어도 첫 레이어가 들뜰 수 있다.
이렇듯 출력 품질의 시작점은 반복적 작업에서 오는 수많은 실패의 관찰과 그에 대응에서 시작된다고 생각한다.
출력물이 보내는 실패 신호
FDM을 오래 다루다 보면 실패가 완전히 사라지지는 않는다. 대신 실패를 보는 방식이 달라진다.
처음에는 실패한 출력물을 보면 필라멘트가 아깝고 프린터의 사용시간이 늘어난것이 아쉽고 하여 출력 실패물을 쉽게 버리지 못한다.
그것도 나름 아픔은 있지만 아름다운 결과물이라 생각해 보관 하고는 했다. 언젠가 시간이 한참 지나고 버려야 할 시간이 왔을때 한참 고민을 했다. 이걸 버려 말어?
재활용 기계를 만들어서 나도 필라멘트를 만들어 사용해 볼까? 나중에 책을 쓸때 필요 하지 않을까? 손님들이 왔을때 기념품으로 하나씩 드릴까? 등등 여러 생각을 하면서 결국 하나 하나 버리지 못하고 쌓아 두기 시작했는데 나중에는 그 실패의 원인을 뒤돌아 볼 수 있는 소중한 자산으로 쓰기 시작 하였다.
첫 레이어가 들렸다면 베드 접착, Z 오프셋, 베드 온도, 베드 오염, 첫 레이어 출력속도, 저속의 출력속도로 레이어를 몇층까지 올리는지, 스커트는 있는지. 을 의심한다.
실처럼 늘어졌다면 리트랙션, 노즐 온도, 이동 속도, 필라멘트 습기를 의심한다.
구멍이 작게 나왔다면 외형 치수와 내부 치수의 차이, 홀 보정, 서포트, 수축율, 습기, 공차 설계를 의심한다.
레이어가 갈라졌다면 노즐 온도, 냉각, 소재 특성, 소재의 보관상태, 소재의 습도, 출력 방향을 의심한다.
서포트 자국이 심하다면 서포트 설정만 볼 것이 아니라 출력 방향을 먼저 다시 본다.
이렇게 보면 실패는 단순한 실패가 아니다. 출력물이 원인을 알려주는 신호다.
문제는 그 신호를 읽는 순서다.
많은 사람이 실패를 보면 바로 설정값을 크게 바꾼다. 노즐 온도를 올리고, 베드 온도를 올리고, 속도를 낮추고, 서포트를 더 세우고, 인필을 높인다. 그런데 그렇게 하면 어떤 변화가 결과를 바꿨는지 알기 어렵다. 한 번에 너무 많은 조건을 바꾸면 성공하더라도 이유를 모른다.
FDM에서는 한 번에 하나씩 바꾸는 습관이 중요하다.
첫 레이어가 문제라면 먼저 베드 상태를 본다.
그다음 Z 오프셋을 본다.
그다음 베드 온도와 첫 레이어 속도를 본다.
그래도 안 되면 소재 상태와 출력 형상을 본다.
이 순서를 지키면 실패가 기록이 된다.
그러나 여기서 제가 항상 느끼는것은 베드 주변의 청결 상태가 가장 문제였던것 같다.
회사에서는 특히 여러사람이 프린터를 동시에 사용하기 때문에 출력후 청소를 하는 사람은 거의 없는것 같다. 그래서 수리 요청이 들어와 수리를 하러 가면 벨트 롤러에 필라멘트가 스파게티가 되어 끼어 있는 모습을 많이 보게 된다. 또한, 베드에 출력물이 있는 상태에서 온라인 상으로 출력을 진행 시키는 경우도 많다. 그래서 저는 온라인 상으로 출력을 시작하는것을 지양 하고 있다. 왠만하면 USB에 파일을 담아서 직접 프린터에 가서 직접 출력을 시작하는것을 권하고 있다. 이러한 관찰과 관심 그리고 실행 하는 청결 유지로 출력물이 보내는 실패의 신호를 잘 이해 한다면 좋은 결과물을 꾸준히 유지 할 수 있을거라 생각한다.
설정값보다 중요한 것은 관계다
FDM을 배우다 보면 숫자를 많이 만나게 된다.
노즐 온도, 베드 온도, 레이어 높이, 출력 속도, 팬 속도, 벽 수, 인필 비율, 리트랙션 거리, 리트랙션 속도, 서포트 간격, 첫 레이어 높이 같은 값들이다.
처음에는 이 숫자들이 정답처럼 보인다.
PLA는 몇 도.
PETG는 몇 도.
첫 레이어 속도는 몇 mm/s.
인필은 몇 퍼센트.
서포트 각도는 몇 도.
하지만 실제 제작에서는 단순히 숫자 하나가 정답이 되기 어렵다. 같은 소재 계열이라도 제조 상태, 보관 상태, 색상, 습기, 장비 구조, 노즐 상태, 출력 형상에 따라 결과가 달라진다. 특히 출력 시간을 무시 하는 경우가 있는데 저는 출력 시간을 굉장히 중요 하게 생각한다. 어떤 경우 48시간이 넘는 출력물을 과감하게 거는분을 보고는 하는데 조금만 더 관찰하고 신경쓰면 24시간 안에 마무리 할 수 도 있는 출력물인 경우가 허다 하다. 단순히 테스트 하는 제품을 48시간 넘게 출력 하는 경우 실패의 경우에 수가 매우 다양 하기 때문에 모 필라멘트를 버리는것보다는 시간을 버리는것이 매우 치명적이라 할 수 있다.
그래서 설정값은 외우는 것이 아니라 관계로 이해해야 한다.
출력물이 큰경우 출력 시간이 길어 지는것을 방지 하기 위하여 파트를 부분별 나눠서 출력 할 수 있다.
온도를 올리면 필라멘트 흐름은 좋아질 수 있다. 너무 높으면 표면이 뭉개지고 실처럼 늘어질 수 있다.
속도를 낮추면 안정성은 좋아질 수 있다. 하지만 작은 부품에서는 열이 오래 머물러 모서리가 무를 수 있다.
팬을 강하게 돌리면 오버행은 좋아질 수 있지만, 소재에 따라 레이어 접착이 약해질 수 있다.
강성이 필요한 파트 인경우 벽 두께를 두껍게 할것인지 인필 구조를 단단하게 하는것이 좋을지 방향 제시를 명확 하게 해야 한다.
FDM의 핵심은 하나의 설정을 높이거나 낮추는 것이 아니다. 이 파트의 주요 목적을 생각하고 그래서 어떤 소재로 어떤 설정들이 서로 연결 하여 어떻게 관계 시킬것인지 판단 하는것이 매우 중요하다.
같은 실패처럼 보여도 원인은 다를 수 있다
예를 들어 출력물의 모서리가 들리는 현상을 보자.
초보자는 이것을 단순히 “베드에 잘 안 붙었다”고 생각하기 쉽다. 물론 맞는 말이다. 하지만 그 안에는 여러 원인이 숨어 있다.
베드 표면에 손기름이나 먼지가 남아 있을 수 있다.
Z 오프셋이 높아서 첫 레이어가 충분히 눌리지 않았을 수 있다.
베드 온도가 낮아 소재가 빠르게 수축했을 수 있다.
출력물이 너무 넓고 얇아서 수축 응력이 커졌을 수 있다.
냉각팬이 초반부터 강하게 돌아 접착이 약해졌을 수 있다.
소재 자체가 수축이 큰 계열일 수 있다.
"모서리가 들렸다" 라는 결과는 하나 이지만, 원인은 여러개의 원인이 같은 문제를 일으키고 있을 수 있다.
그래서 FDM에서는 증상을 보고 바로 처방을 내리기보다, 먼저 상황을 나눠야 한다.
출력 초반부터 떨어졌는가.
중간 이후에 모서리가 들렸는가.
항상 같은 위치에서 들리는가.
특정 소재에서만 발생하는가.
베드 소재는 무엇인가.
첫번째 레이어 출력 속도는 어떠했는가.
넓은 면적 출력 후 베드 자국이 남은 자리에서 반복되는가.
작은 부품은 괜찮은데 큰 부품에서만 발생하는가.
이러한 질문을 스스로에게 결과를 보며 해보면서 원인을 좁힌다.
품질이 우수한 FDM 출력은 모든 설정값을 외우는 것이 아니다.
실패를 보고 이대로 좋은가 라는 질문과 질문 속에서 스스로 높은 품질을 찾기 위한 관찰력을 키우는것이라고 생각한다.
제작자는 출력 전에 이미 절반을 결정한다
출력 버튼을 누르기 전에 이미 많은 것이 결정된다.
슬라이서를 통하여 모든 사항이 준비 되엇을 것이다.
서포트가 필요한 면을 어디로 그리고 자동 으로 수동으로 보낼 것인가.
하단면으 두께와 상단면의 두께 측벽의 두깨는 제품의 특징에 부합 하는가.
조립 구멍 측면일 경우 서포틀로 구명의 진원도를 보완 및 수축율이 적용 되고 있는가.
제품의 커서 나눴을 경우 끼워 조립 되는 구조로 되어 있는가.
베드에 안전하게 안착 시킬 수 있는 평면 구간이 너무 적어 베드에서 들릴 가능성이 없는가.
후가공이 필요한 면은 손이 닿는 방향에 있는가.
재봉선 위치로 인하여 조립을 헤치지 않는가.
이게 다는 아니지만 이정도 라도 작업자가 스스로 판단을 하지 않고 출력하면, 출력이 잘 되었다 하더라도 설계를 검증하는 결과물로 부족할때가 있다.
FDM은 단순하다. 단순히 위로 쌓아 올리는 공정이다.
위로 쌓기 때문에 아래가 불안하면 전체가 불안해진다.
위로 쌓기 때문에 공중에 떠 있는 형상은 지지 구조가 필요하다.
위로 쌓기 때문에 레이어 방향과 힘의 방향이 맞지 않으면 쉽게 갈라질 수 있다.
위로 쌓기 때문에 원형 구멍도 CAD처럼 완벽하게 나오지 않는다.
출력 전에 이 구조를 생각하면 실패가 줄어든다. 이러한 것은 작업자의 역량으로만 치부할것이 아리라 품질 경영을 위한 척도로 삼고 전사적으로 출력전의 관찰 사항으로 명시 하면 좋을것 같다는 생각을 한다. 출력 전에 문제를 찾아 대처 하는 작업자가 있고 출력 후에만 문제를 찾는 작업자가 있다. 둘은 같은 문제를 찾지만 결과는 비용으로 갈라진다.
작은 생활 부품 하나도 제작 관점으로 보면 다르다
예를 들어 책상 아래에 고정하는 작은 케이블 클립을 만든다고 해보자.
단순히 모양만 보면 어렵지 않은 부품이다. 하지만 실제로 써보면 생각할 것이 많다.
나사를 조여서 고정 할것인지 양면 테이프로 고정 할것인지 끼워서 고정 할것인지.
케이블을 잡는 부분 필라멘트가 쌓는 방향으로 만들어야 하는지 뉘여서 출력 하는 방향으로 해야 하는지,
강도를 위하여 인필은 벽 두께는. 강하면 끼우기 어렵고, 너무 약하면 벌어지다 깨진다.
이렇게 하여 어느정도 디자인이 완성 되었다면 이제 또 본격적인 고민을 해야 한다.
반복해서 여러 개를 만들 경우 베드의 사이즈와 한번에 몇개를 얼마의 시간에 얼마만큼의 필라멘트를 사용해서 개당 얼마의 가격에 제작 할 수 있는지 도 생각 해야한다.
이 작은 부품 하나에서도 FDM의 거의 모든 문제가 등장한다.
공정, 소재, 치수, 강도, 출력 방향, 반복성, 비용, 등 그래서 FDM은 취미 출력으로 시작해서 이것으로 사업을 하려면 어느정도는 과학적 관찰력이 필요 한 제작자의 관점으로 보기 시작해야 한다.