아이디어팩토리 - 3D 프린터 워크샵

지난 월요일 (3월 21일)에는 학교 아이디어 팩토리에서 주최하는 3D 프린터 워크샵을 다녀왔다. 아이디어 팩토리는 지난 3월 17일에 39동 지하 1~2층에 개관하였는데, 다학제 융합 교육 / 시제품 제작 지원 / 창업 교육 및 멘토링의 3가지 비전을 가지고 설립된 창의 공간이라고 보면 된다. 이번 3D 프린터 워크샵을 계기로, 처음 아이디어 팩토리를 방문하였는데 큰 감명을 받았다. 다른 글에서 아이디어 팩토리 공간 방문 후기를 자세히 남겨볼 계획이다.

• 아이디어팩토리 웹사이트

3D 프린팅?

40여년전부터 Rapid Prototyping 이라는 용어가 대중적으로 사용되었다. 원하는 컨셉의 제품을 눈에 보이는 시제품으로 빠르게 제작하는 작업을 뜻했나보다. 원하는 형태를 뽑아내는 과정이기 때문에 자연스레 3D 프린팅이었을 것이다. 그러나 처음 Rapid Prototyping 이라는 용어로 표현되던 시절에는 3D 프린터 장비의 가격이 매우 비쌌었다. 제일 저렴한 제품군이 1억원 이었다고 한다. 좀 더 엄밀히 사전적으로 정의하자면 3D 프린팅이란,

디지털화된 3D 모델을 3차원으로 제작하는 장비 

라고 얘기해볼 수 있겠다. 현 시점에서 3D 프린터는 다양한 방식으로 구현되어있지만, 그 근간의 기본 원리는 한 가지다. 3D 모델을 매우 얇은 레이어(layer)로 잘라서 각 레이어를 한층씩 쌓는 방식이다. 3D 프린터의 구현이 달라지는 것은 레이어가 어떤 재료인지, 레이어를 한층씩 쌓을때 어떤 방식으로 쌓는지에 따라서 달라진다.

이러한 3D 프린터의 가장 큰 강점은, 기존의 가공방식으로는 제작 불가능한 형상을 제작할 수 있는 넓은 표현력에 있다. 어떤 형상이던 얇은 레이어로 잘라서 쌓는다고 생각해보면 딱히 불가능해 보이는 구조가 떠오르지 않는다. 그러므로 기존에 모델을 창조하는 디자이너와, 실제 모델을 생산해내는 엔지니어 사이에 존재해왔던 많은 갈등들이 해소되는데 크게 기여했다. 표현력에서도 그렇고, 생산 과정의 진입장벽 면에서도 3D 모델을 만든 뒤에 3D 프린터를 조작하는 것은 공학적으로 어려운 내용이 아니었기에 디자이너도 직접 제작해볼 수 있기 때문이다.

3D 프린터의 방식: FDM(혹은 FFF) 와 SLA

앞서 언급했듯이 3D 프린터의 동작 원리는 모두 동일하다. 다만 제작에 쓰이는 재료와, 레이어를 한층씩 쌓는 기술이 어떤 방식으로 구현되었는지에 차이가 있다고 했다. 실제 3D 프린터의 방식은 매우 다채로우나, 아이디어 팩토리에서 보유중인 3종의 3D 프린터가 따르는 두 가지 방식에 대해서만 얘기해볼 수 있겠다.

1) FDM(Fused Deposition Modeling) 혹은 FFF(Fused Filament Fabrication)

필라멘트(Filament)를 높은 온도로 가열하여 유동성있게 만든 뒤, 노즐을 통해 분사하여 레이어를 쌓는 방식이다. 필라멘트는 고무의 한 재질이라고 생각하면 되겠다. 한층의 레이어를 쌓을 때, 노즐이 x축-y축으로 이뤄진 평면 상에서 자유롭게 움직이므로 인쇄를 위해 사용하는 프린터기와 유사한 느낌이었다.

필라멘트의 종류에 따라 다양한 질감의 재료(예를 들어 동상이나 나무처럼 느껴지는 재질도 가능하다), 다양한 색(16가지)가 가능하다. 이 필라멘트의 가격이 비교적 저렴하기 때문에 제작 단가가 저렴하다는 것도 장점이다. 최고급 필라멘트 한 덩어리가 5만원 정도라 한다. 필라멘트를 구성하는 플라스틱의 재질이 기존의 ADS 플라스틱과, 새롭게 개발된 PLA 플라스틱이 있다. 동일한 FDM 방식의 3D 프린터라 하더라도, ADS 를 사용하는 제품군이 있고 PLA 를 사용하는 제품군이 있다.

단점은, 노즐을 통해 분사하는 방식의 특성 상 레이어 두께 (layer thickness) 의 한계가 존재하고, 이로 인해 육안상으로 볼때 레이어들이 구분되는 가로줄무늬가 나타나는 점이 있다.

현재 아이디어팩토리에서 보유중인 세가지 모델의 3D 프린터 중, 두가지가 이 방식을 따른다. 

• Ultimaker 사의 Ultimate-2
• Sindoh 사의 DP200 

2) SLA(StereoLithogrAphy)

필라멘트 대신에 광경화성 레진을 사용한다. '광경화성' 이라는 이름에서 알 수 있듯이 액체 상태로 존재하다가, 빛을 쬐여주면 고체로 경화한다. 그러므로 노즐이 필라멘트를 짜서 레이어를 만드는 대신 레이저가 레이어가 생겨야 할 위치로 구경과 초점을 조절해가며 레이어를 생성한다.

레이저의 초점 크기에 따라 레이어 두께가 결정되므로, FDM 방식보다 더 작은 레이어 두께가 가능하다는 장점을 지닌다 (최소 0.025 mm 까지 가능). 그러므로 정밀한 제작이 필요한 경우에 선호된다.

대신 레진이라는 재료에 특성상 강도가 약하다는 단점을 지닌다. 또한 필라멘트 5만원 어치 분량에 상응하는 레진의 가격이 30만원이기 때문에 같은 양의 프린팅을 할 때 필요한 제작단가가 더 클 것이다.

남은 한가지 제품군이 SLA 방식을 따른다.

• Formlabs 사의 Form 1+

3D 프린터 작업 흐름 (Work-Flow)

기존의 인쇄 프린터와 비교해서 설명해주셔서 이해가 잘 되었다. 크게 4단계로 나눌 수 있었다.

1) Prepare:

프린팅 할 3D 모델을 준비하는 작업이다. 문서를 인쇄할 때 웹에서 다운로드 받거나, 직접 워드 프로세서로 작업을 하는것과 마찬가지이다. 웹 상에 공유되어있는 3D 모델을 다운로드 하거나, 3D 모델링 소프트웨어를 사용하여 자신이 직접 모델링할 수 있다. 이번 워크샵의 주제는 3D 프린터를 사용하는 것이기 때문에 모델링에 대해서는 다루지 않았다. 모델링 워크샵도 추후 진행될 것이라고 한다.

2) Process:

Prepare 단계에서 준비한 3D 모델을 바로 3D 프린터로 인쇄할 수는 없다. 3D 모델은 3D 프린터만을 위한 것이 아니므로, 3D 프린터로 인쇄할 수 있는 파일로 변환해줘야한다. 이 작업은 Slicing Software 로 작업할 수 있다. 3D 프린터로 인쇄하기 위해서는 3D 모델을 레이어 단위로 '슬라이싱' 해야하기 때문이다. 이번 워크샵에서 집중한 부분이 바로 이 슬라이싱 소프트웨어의 사용법이었다. 사용하는 3D 프린터 제품에 따라서 슬라이싱 소프트웨어도 다른것을 사용한다.

3) Preview:

3D 프린터로 인쇄되는 과정을 미리 확인하는 작업이다. FDM 방식의 예를 들자면, 슬라이싱된 결과물을 확인하고, 노즐이 어떤 경로로 이동하며 인쇄할지를 확인하는 작업이다. Process 단계의 결과물이 물리적으로 불가능한 슬라이싱이나 노즐 이동경로일 수 있기 때문이다. 그러므로 이 단계에서는 하나씩 쌓여나가는 레이어가 문제 없이 잘 쌓여질 것인지를 사람의 직관으로 가늠해봐야 한다. Process 와 마찬가지로, Slicing Software 에서 이뤄진다.

4) Print:

3D 프린터가 수행해주는 프린트 작업이다. 프린터 제품마다 Preview 작업까지 수행한 머신으로부터 프린터로 인쇄 파일을 전송하는 기법에도 차이가 있다. SD 카드를 써야한다던가, Wi-Fi로 통신하는 등의 방법이 있다.

Prepare: 다른 사람의 모델 다운로드 받기

3가지 사이트를 추천해주셨다. 여기서 .STL 확장자의 3D 모델을 다운로드 받을 수 있다.

• Thingiverse : 3D 모델 분야의 구글이라고 평가함.
• YouMagine : Ultimaker 사에서 운영하므로, 자사 3D 프린터에 특화된 모델들이 많다.
• pinshape : 소규모 사이트로, 유료 모델의 비율이 높다.

워크샵에서는 그 중에서 Thingiverse 사이트의 모델을 사용하여 실습하였다. 무료 모델이 많은 것이 장점이지만, 그만큼 3D 프린터로 제작하기에 부적절한 모델들이 꽤 있다고 한다. 그러므로 모델의 상세 페이지에 들어가서, Made 숫자를 확인할 필요가 있다. Made 숫자는 해당 3D 모델로 직접 3D 프린팅한 유저들이 올린 후기의 개수를 뜻한다. Made 가 0인 모델이라면 그만큼 3D 프린터 인쇄가 보장되지 않는 모델이므로 아이디어팩토리의 3D 프린터를 사용할때에는 허가하지 않는다.

Process & Preview: 프린팅을 준비하는 과정

세 가지 프린터 제품별로 Process 와 Preview 작업을 도와주는 Slicing Software 가 다르다. 그러므로 각각에 대해서 살펴봐야 한다.

1) Ultimaker 사의 Ultimate-2:

CURA라는 소프트웨어를 사용한다. 본 포스트에서는 15.04.4 버전을 사용하였다. 소프트웨어를 실행한 뒤 원하는 모델 파일(.STL)을 불러오면 이를 확인할 수 있다. 워크샵 실습에서는 스마트폰을 거치할 수 있는 Phone Holder 를 다운로드받아서 이용하였다.

• CURA 소프트웨어 다운로드
• Phone Holder 3D 모델 다운로드

모델을 불러오고 난 직후에는 실제 사용할때의 자세로 모델이 놓여져있다. 

그러나 이는 프린터가 제작하기에는 그리 좋은 자세가 아니다. 동일한 모델이더라도 최대한 눕혀서 적층되는 레이어의 수를 줄이는게 좋을 것이다. 모델을 클릭한 뒤, 좌하단에 생기는 3개의 메뉴 중 가장 왼쪽의 Rotate 에서 Lay Flat 을 클릭하여 프린터로 출력하기 좋은 자세로 눕힐 수 있다.

상단 메뉴에서 4번째 Expert 항목으로 들어가면, quickprint 메뉴와 full settings 중 고를 수 있게 되어있다. full settings 로 들어가서 프린팅에 대한 각종 설정들을 직접 선택할 수 있고, 프린팅이 익숙하지 않다면 quickprint 메뉴를 선택하여 소프트웨어가 미리 준비해둔 4가지 프로필 (Fast print, Normal print, High quality, Ulti quality) 중에서 선택할 수도 있다. 레이어 두께로만 구분하자면 각각 150um, 100um, 60um, 40um 에 대응된다. Ultimaker 사의 제품들이 FDM 방식 3D 프린터에서 최고로 평가받는 이유가 여기에 있다. Normal print에 대응되는 100um 두께가 다른 제품들에서는 최고 성능에 대응되기 때문이다. Ultimaker 사는 여기서 2단계 더 나아간 High / Ulti quality를 제공하니 대단한 것이다. 그럼에도 가장 최적화된 성능을 보장하는 것은 Normal 이므로 프린팅이 처음이라면 이를 택하는게 현명할 것이다.

full settings 를 선택할 경우 각종 설정값들을 직접 선택할 수 있다. 각각에 대해서 간단히 살펴보자.

Layer Height : 레이어 두께값이다. 이왕이면 150um, 100um, 60um, 40um 중에서 고르는 것이 좋다. 두께가 얇아질수록 제작 시간이 늘어난다.

Shell thickness : 우상단의 View modes 에서 Layers 를 선택하면, 실제 3D 프린터가 어떤 식으로 필라멘트를 쌓아가는지 각 레이어별로 확인할 수 있다. 이를 확인해보면 겉으로 보이는 모양의 속을 가득 채우는 것이 아니라 내부가 비어있는 형태임을 확인할 수 있다. 즉, 기본적으로 Shell 구조인 것이다. 그러므로 이 Shell의 두께값을 의미한다. 노즐에서 한번 분사되는 필라멘트의 폭이 0.4mm 이므로 이 값의 배수로 설정해줘야 한다(아니면 노란색으로 경고가 뜬다).

Bottom/Top thickness : Shell 구조이므로 속이 보이지 않도록 바닥과 윗면의 두께도 설정해준다. Shell thickness는 옆면의 두께라고 생각하면 된다. 이 값은 Layer height 값의 배수여야 한다. 4겹 이상의 레이어를 쌓아주는 것이 권장된다.

Fill Density : Shell 에 대해서 설명하면서 제작물이 속이 비어있다고 얘기했었다. 그 속을 그냥 텅비우는 것은 아니고 외부 하중에 견딜 수 있도록 내부에 격자형태로 일정부분 채워준다. View Mode에서 Layers 로 단층을 살펴볼 경우 확인할 수 있다. 그 비율을 결정하는 값으로 하중이 많이 가해질 것으로 예상되는 경우 최대 60% 정도를 권장한다.

Nozzle Size : 프린터가 결정되면 정해지는 값이다. Ultimate-2의 경우 0.4mm이다.

다음으로는 Support의 개념에 대해서 얘기해보자. 아래의 자세 사례를 가지고 설명하는 것이 좋을 듯 하다.

위와 같이 자세를 취하도록 해도, 슬라이싱 소프트웨어는 레이어들로 슬라이싱을 해주고 3D 프린터에 인쇄를 명령하는 것도 가능하다. 하지만 View Modes 에서 Layers 로 관측해보면 아래와 같이 허공에 필라멘트를 인쇄하기시작하는 레이어를 발견할 수 있다.

그러므로 이 자세로 인쇄하는 것은 실패할 것이다. 실습에서 다룬 Phone Holder의 경우 모양의 특성상 Lay Flat 버튼으로 모델을 눕혀서 인쇄하는 것이 최선이고, 가능하므로 이러한 경우를 택해야 할 이유가 없다. 하지만 어떤 자세로 시도하더라도 위와 같이 허공에 필라멘트를 분사해야 하는 경우가 생기는 모델의 경우가 있을 수 있다. 이때 이 허공에 띄워지는 레이어를 밑에서 받쳐주는 것이 바로 Support 인 것이다. 두 가지 Support Type이 선택 가능한데 정확히 파악하지 못한 내용이므로 스킵. Platform adhesion type에 대해서도 Brim 과 Raft 가 선택이 가능한데, 자세한 내용은 여기서 다루지 못할 것 같다. 바닥 레이어가 말려올라가는 현상을 방지하기 위한 수단인데, Ultimate-2의 경우 이 문제를 잘 해결한 제품이므로 설정하지 않고 프린트해도 좋은 결과물을 얻을 수 있다.

Bottom layer speed : 10mm/s 가 권장된다. 느릴수록 좋은 값이다.

Infill speed : 특별히 빠른 값이 필요한 경우에는 60mm/s, 그렇지 않은 경우에는 50mm/s 가 권장된다.

Outer shell speed : 20mm/s 가 권장된다.

Inner shell speed : 50mm/s 가 권장된다.

2) Sindoh 사의 DP200:

Ultimate-2를 사용할때는 설명할 내용이 많이 있었다. 하지만 이 프린터를 사용할때에는 사용자가 일일이 선택할 내용이 거의 없다. Sindoh 사에서 제작한 3Dwox 소프트웨어를 사용한다.

• 3Dwox 소프트웨어 다운로드

커스터마이징을 하지 않고 소프트웨어가 기본으로 제공하는 메뉴 중에서 선택할 것이다. 메인 화면에서 좌측 SETTINGS 에서 선택할 수 있다. 저속 - 고품질 출력이 레이어 두께가 100um 으로 Ultimate-2의 Normal 과 동일하다. 서포트 재질은 Raft 만 가능하다.

3) Formlabs 사의 Form 1+:

마찬가지로 Formlabs 가 제작한 PreForm 소프트웨어를 사용한다. Form 1+ 실습에서는 다른 3D 모델을 사용하였다. 레이어 두께가 더 낮은 장점이 보이는 반지 모델로 실습이 진행되었다.

• PreForm 소프트웨어 다운로드
• Fox Ring 모델 다운로드
  

DP200과 마찬가지로, 간단하게 Print Setup 만 택하면 끝이다. Printer Model 에서 Form 1+ 를 선택해주고 Material 에는 Clear - FLGPCL02 버전을 선택하라고 하셨다. Layer Thickness 값을 보면 FDM 방식 모델에 비해서 더 작음을 확인할 수 있다. FDM 방식과의 큰 차이점은 모델의 자세가 필히 기울여져있어야 한다는 점이다. 제작 진행중인 결과물을 레진에 담궈서 레이저 빛을 쬐이고, 들어올려서 경화되지 않은 레진을 흘려버리고, 다시 담구는 과정을 반복하기 때문에 중간에 들어올려졌을 때 레진이 흐를 수 있도록 면이 기울여져있어야 한다. 그러므로 필연적으로 Support 가 사용되어야 한다.

다행히도 복잡한 과정들을 일일이 지정해줘야하는 것이 아니라 왼쪽 버튼들 중 위에서 두번째 마술봉 모양의 버튼을 클릭하면 이 모든 과정이 진행된다.

한가지 흥미로운 점은 똑같은 모델을 복제해도 시간이 2배 걸리는 것이 아니라는 점이다. FDM 방식의 경우 실제 노즐이 움직이며 필라멘트를 분사해야하기 때문에 모델이 2개가 되면 시간이 비례적으로 늘어나지만, SLA 방식의 경우 전체 프로세스에서 실제 레이저를 쬐이는 작업이 차지하는 시간의 비중이 작으므로 비례적으로 증가하지 않는다. 대략 9개를 만들면 시간이 2배정도 걸리는 듯하다. 그러므로 대량생산에 용이하다.

Print : 작업한 모델 프린팅하기

각각의 슬라이싱 소프트웨어에서 설정을 완료한 뒤에 .STL 모델 파일을 G-code 양식의 파일로 변환한다. 그 후 프린터 방식에 따라 G-code 파일을 프린터기에 인가하여 인쇄작업을 시작하면 된다. 예를 들어 Ultimate-2 방식의 경우 SD 카드를 사용하고, DP200 의 경우 Wi-Fi 로 간편하게 옮길 수 있는 장점이 있다.

워크샵 시간이 전체 4시간이었으므로, 시간 관계상 직접 프린팅을 해보지는 못하였고 전날에 조교님께서 제작해두신 결과물들을 하나씩 선물해주셨다 :)