2016년 12월 14일 수요일

3D 프린터 동작 방식과 DIY 고려사항

3D 프린팅은 좋은 기술이다. 비싼 제품 금형 제작 없이도, 본인이 원하는 형상을 싼값으로 프린팅해 낼 수 있다. 본인의 경우, 건설 건축 분야에 이 기술을 일부 활용할 수 있을 듯 하여, 공부 목적에서 입문하였다(제조 건설 혁신 3D 프린팅 기술 - 3D printing. 2013.2). 입문때 싼값에 프린터를 장만하고자, DIY(Do It Yourself) 프린터 키트를 조립해 보았다. 아래는 그 시행착오를 통해 얻은 경험을 정리한 글이다.

1. 3D 프린팅 멘토와 전문가
처음 DIY 3D 프린팅 분야에 입문하게 되면, 인터넷 검색하며 이것저것 보게 되는 데, 좀 더 공부하려 하다 보면, 결국 커뮤니티에 가입하게 된다. 커뮤니티 활동을 하다 보면, 자칭 멘토를 만나게 된다. 그리고, 모임에도 참여하면서, 이런 저런것을 지도 받게 된다. 그러다, 그 사람이 추천하는 제품을 구입하거나, 프로젝트에 참여하게 된다.
mentor?

본인의 경우, 2014년 쯤 국내 나름 이 분야에서 알려진 분의 국민 프린터 운동에 잠깐 참여한 적이 있었다. 이때, 초짜가 생각없이 이 세계에 발들이면 어떤 상황이 발생할 수 있는 지를 몸으로 경험한 적이 있다(결코 좋은 기억은 아니었다). 이 과정에서 배운 것은 다음과 같다.
  1. 좋은 전문가는 내가 가고 싶은 곳을 인도해주고, 여러가지 조언을 해 준다. 큰 대가 없이 본인이 시행착오를 적게 할 수 있는 방법을 알려준다(매우 고마운 존재다).
  2. 나쁜 전문가는 본인이 알고 있는 작은 지식을 활용해, 사람들을 이용하려 한다. 이런 분들의 말을 믿었다가, 시간낭비, 돈낭비, 인생낭비할 가능성이 크다. 

진정한 전문가인지 사기꾼인지 구분할 수 있는 방법이 몇가지 있다.

1. 평판 확인 사살
진정 실무를 잘하는 사람들에게 그 사람의 평판을 물어보면 된다. 직접 프린터를 조립하고, 사용해 본 사람이거나, 3D 프린팅계의 오타쿠같은 사람을 찾아서 그 사람에대해 물어보면 된다. 다만, 실무 전문가를 찾기가 어렵다. 보통 이들은 방해받지 않고 무공을 연마하기 위해 재야에 묻혀 있다. 찾은 후에는 바보같은 질문은 하지 않도록, 미리 기본적인 경험과 지식은 갖추고 있는게 좋다.

2. 공부와 네트워크
진정한 전문가를 만나기 위해서는 본인이 전문가를 볼 수 있는 눈을 길러야 한다. 기술이 어떻게 동작되고, 그 배경에는 어떤 기술이 사용되는 지 정도는 공부하고, 사람들을 만나야 사기당하지 않을 확률이 높은 것이다. 대부분 서점에는 이런 지식을 구하기 어렵다. 본인의 경우에는 RepRep과 같은 오픈소스 사이트를 뒤져가면서 공부했다. 해외에는 이런 오픈소스 커뮤니티들이 많다.

국내에서 좋은 전문가를 찾으려면, 좀 더 실무적인 네트워크에 참여하고, 작업하는 모습들을 지켜보면서, 인간관계를 맺어 나가는 것이 좋다. 사람과 만나는 시간이 투자되어야 한다. 시간을 투자하지 않고 손쉽게 얻은 네트워크는 사실 검증되지 않은 것이다. 누구의 소개로 만난 전문가의 말을 믿고 의사결정 한다는 것은 매우 위험한 일이다.

3. 컨텐츠 확인 사살
본인이 만들었다는 컨텐츠의 실체는 보여주지 못하면서, 본인이 소개되었다는 언론, 다른 사람들의 평가 등을 계속 인용한다면, 사기꾼인지 의심해 볼 필요가 있다. 보통 이런 사람들은 실체를 직접 시연하지 않은 채, 세계 최초로 무엇을 만들었다는 이야기를 자주하는 특징이 있다.


2. 3D 프린터 작동 원리
현재 대중화된 프린터들은 대부분 적층식이다. 분말이나 액체 재료를 레이저 등으로 응고하는 소결형, CNC와 유사한 절삭형 프린터도 있으나 가격이 매우 비싸다. 적층식 프린터는 가느다란 노즐을 통과한 필라멘트 형태의 재료를 미리 디자인된 모양으로 쌓아 올라가면서 모델을 만드는 방식이다.

3D 프린팅 작동 개념

적층식 프린터의 가장 큰 장점은 싸다는 것이고, 가장 큰 단점은 품질이 그리 좋지 않다는 것이다. 예를 들면,

1. 바닥판이 약간만이라도 기울어져 있으면, 쌓여 올라간 재료가 기울어진다.
2. 익스트루더(extruder)에 재료가 제대로 물려서 일정한 속도로 출력되지 않으면, 노즐에서 나오는 재료 두께가 불균일해진다.
3. 바닥판과 재료가 접착력이 없으면, 재료가 플로팅(floating)되어, 엉키는 현상이 나타난다.
4. 모델에 중공이 있으면(교량 같은 경우), 그 부분에 쳐짐이 발생하므로, 서포터가 필요하다.
5. 익스트루더를 구동하는 액추에이터의 프레임이 기울어져 있거나, 진동이 발생하면, 위와 같은 문제들이 발생한다.
6. 적층식 특징 상 재료가 쌓여 올라가므로, 겉 표면이 매끄럽지 못하다.
7. 출력에 오랜 시간이 걸린다. 컵하나 출력하는 데 보통 2~3시간이 걸린다 (출력 중간에 실패하지 않는다면 ㅎ).
8. 기타, 소음과 냄새가 좀 심하다. 이웃이 소음에 민감하면 집안에서 프린팅하기가 어렵다.

When 3D printing goes wrong(twistedsifter.com, 2013.8, 3D 프린팅 작업 시 이런 상황은 질릴만큼 접하게 된다. 보통 TV, 전시, 광고에 나오는 깨끗한 프린팅 결과물은 많은 튜닝 작업과 시행착오 끝에 출력된 것이다ㅎ)

3D 프린터는 이런 문제들을 최대한 피하고, 출력물 품질을 높이기 위해 설계되어 있다.

오픈소스 플랫폼인 Reprap 문서를 분석하면, 이런 점을 잘 알 수 있다. Reprap은 자체 복사 가능한 프린팅 머신을 목표로 개발된 오픈소스 기반 3D 프린터 플랫폼이다. 이 오픈소스 커뮤니티는 매우 많은 상용 프린터 제조사에 영향을 미쳤다. 



reprap 사이트는 3D 프린터 제작에 필요한 부품의 3차원 캐드 모델, 액추에이터와 같은 부품들의 스펙, 아두이노 호환 컨트롤 보드 스펙, 컨트롤 보드 펌웨어, STL 변환 소프트웨어, 3차원 모델러와 같은 SW/HW 도구 모두를 오픈하고, 제공한다.

3D 프린터의 HW는 크게 두 부분으로 나누어 진다.
  1. X/Y/Z 엑추에이터 - 디자인된 3차원 모델은 적층처리해야 하므로, 얇은 두께로 슬라이싱되어 등고선형태인 연결선으로 저장된다. 이렇게 저장된 STL 데이터는 각 등고선 단위로 X, Y 좌표로 움직이다. 한 등고선 그리기가 끝나면, Z 좌표가 슬라이싱되어 출력된 재료 두께 단위로 이동된다.
  2. 익스트루더/노즐 - 익스트루더는 X, Y, Z 스테핑 모터가 재료를 쌓을 위치로 이동될 때, 재료를 밀어 넣어, 적층하는 역할을 한다. 다음은 프린터의 중요한 역할을 하는 익스트루더 구조도 및 공개된 모델을 출력한 모습이다. 스테핑 모터가 필라멘트를 노즐에 밀어 넣으면서, 노즐 끝의 히터(heater)에 의해 녹여진 재료가 출력되는 구조를 확인할 수 있다. 출력되는 재료는 노즐과 온도변화에 따라 두께가 달라지고, 이 두께가 쌓여 올라가서, 전체 모델 높이를 결정한다. 

익스트루더 구조(reprap)

앞에서 이야기한 프린팅 작동 방식을 구현하기 위해서는 매우 정확하게, X/Y/Z 스텝모터를 이동해야 하고, 그 이동 경로를 STL 데이터 파일로 부터 얻어, 동작시키는 코드(펌웨어)가 제어보드에서 실행되어야 한다. 익스트루더에 걸린 재료가 노즐을 통해 출력되어 정확한 두께로 쌓이도록, 익스트루더 모터를 동작시키야 한다. 노즐 끝은 재료를 녹일 만큼 적절히 가열되어야 한다. 배드는 재료가 접착될 수 있는 적절한 온도로 히팅되어야 하므로, 온도 센서가 필요하다. 


STL 데이터를 받아, 각 모터들과 온도센서를 제어하고, 현재 프린팅되고 있는 상태 등을 나타내는 LCD 등을 제어하는 역할은 펌웨어가 담당한다. 이런 도구들을 reprap에서는 모두 개발해 다음과 같이 오픈소스로 공개하고 있다. 



3. 싸고 좋은 DIY 프린터 키트
싸고 좋은 DIY 프린트 키트라는 것은 없다. DIY 제품이 싸기는 하지만, 조립과정에서 부품 위치간 오차가 발생하고, 이는 프린팅 품질로 직결된다. 실제 프린팅을 해 보면 알겠지만, DIY제품에는 매우 다양한 문제점이 있는 데, 이를 손으로 하나하나씩 해결해 나가는 일이 얼마나 많은 시간이 걸리고 짜증나는 일인지는 겪어 봐야 안다.

물론 이 과정에서 튜닝하는 보람?과 그에 따른 3D 프린팅 원리 이해력이 높아짐을 느낄 수는 있다. 다만, 본인의 경우 가족과 함께해야할 저녁, 주말 시간이 이런 튜닝질로 사라지고, 가족의 불만이 가득했던 경험이 있다(작은 블럭 하나 찍어 보려 이짓햇나 자괴감 든다 ㅎ).

헬 삽질
(키트 선택 잘못하면 무한반복 삽질 헬 월드를 경험할 수 있다ㅎ. Austin shoveling snow, Flickr)

만약, 싸고 좋은 DIY 키트를 공부하는 차원에서 구입하기를 원한다면, 다음과 같은 해외 3D printer best 제품 평판 평가 사이트 몇 군데를 확인하고, 공통적으로 좋은 평판인 제품을 선택하는 게 좋다.
아울러, 다음과 같은 DIY 키트는 최대한 피하는 게 좋다. 그리고, 선택시, 프린팅 재료, 프린팅 가능한 크기, 프린팅 두께 등을 확인한다.

1. 프레임이 3D프린팅된 플라스틱, 목재, MDF로 되어 있는 부실한 키트
프레임이 부실하고, 흔들거리면, 프린팅될 때, 모델이 기울어지거나 실처럼 뭉쳐짐.

2014년 공구로 구매한 DIY 제품. 목재 부품으로 프레임이 구성됨. 조립 시 부품이 부러지기 일수였다-.-;;;

2. 부품수가 너무 많아 조립하기 어려운 키트. 조립 메뉴얼이 없는 키트
조립할 때 실수하기 좋다. 조립을 한달동안 무한 반복할 수 있음.

3. 듣보잡 키트
검증되지 않은 제품은 정신건강을 위해 피한다.

4. 스페어 부품이 없는 키트
스페어 부품이 없다는 것은 조립할 때 실수해 부품이 망가지면, 제품의 생명도 그 순간 끝난다는 것을 의미한다.

5. 너무 싼것은 가급적 피한다
싼건 비지떡. 부품 품질이 열악할 가능성이 높다.


4. 좋은 제품 구분하는 방법
본인은 3D프린트 이슈가 시작된 2013년 초기에 이짓을 시작했기 때문에, 제품 선택에 한계가 있었다. 초기 프린팅 제품은 대부분 해외 RepRap과 같은 오픈소스 3D프린트 플랫폼을 가져다 사용하고 일부만 커스터마이징한것이 대부분이었다.


아울러, 3D프린팅의 고질적인 문제인 바닥판(베드) 수평 맞춤, 바닥판 접착 문제의 문제가 제대로 해결된 국내 제품들이 많지 않았다. 그 당시에는 국내에서 3D프린터를 개발했다는 자체가 뉴스가 될 때였다.

국내 3D 프린팅 이슈 선점에 성공한 3D 에디슨

국내 3D프린터 산업 초기 단계에서 연구 목적으로 사용한 몇몇 제품들은 이와 같은 문제가 발생되어, 사용이 쉽지 않았다. 물론, 튜닝과 AS를 통해 일부 문제는 해결할 수 있다. 다만, 문제 하나 해결에 반나절이 걸려, 다른일 하기가 어려워졌다.

기성품을 구입 시 후회하지 않으려면, 본인이 만들 결과물을 고려한 제품 스펙과 더불어, 오토 레벨링, 바닥판 열선 처리 여부 등을 체크할 필요가 있다. 아울러, 해외의 3D 프린터 메거진 평가를 확인할 필요가 있다. 국내 네이버 검색을 통한 프린터 평판을 확인하려는 생각은 하지 않는 편이 좋다. 네이버 블로그는 광고판이 된지 오래라 글 내용을 믿기가 어렵고, 블러거들이 좋다고 각자 주장하는 제품만 수십개 이상이라 헤깔리기만 한다. 구글링하라.

제품 평판 확인하려면, PC MAG 등 평판이 좋은 해외 메거진, 사이트를 참고하면 된다.

사이트를 보면 알겠지만, 기성품은 잘 알려진 100만원 대 이상 제품들이 순위에 올라가 있다.

DIY 제품들은 구글링해보면, 평가가 천차만별이라 구분하기가 어렵다. 이것은 조립한 사람의 내공에 따라 품질이 크게 달라진다는 뜻이다.

좀 더 안정적인 DIY 제품으로 평판이 높은 것은 카르테시안(Cartesian)방식인 Prusa 3D printer 로, 모델 출력 품질에 크게 영향을 미치는 베드 수평 레벨 및 위치 체크 등의 기능이 매우 뛰어나다. 다만, DIY제품에 비해서는 가격이 비싸다(60~70만원선).


참고로, 아래는 Prusa 3D printer 를 개발한, Josef prusa 이다. Prusa는 오픈소스 기반 3D프린터 플랫폼으로 유명한 Reprap 소스를 기반으로 기술을 좀 더 안정화하고, 편리하게 조립할 수 있도록 제품을 개선했다.

Josef prusa

델타 타입 제품으로 Kossel 이 유명하다. 다만, Prusa 제품처럼 품질이 뛰어나다는 평가는 얻지 못하고 있다. 델타 타입은 카르테시안(Cartesian)방식에 비해, 높은 수직 크기, 좀 더 빠른 출력 및 곡선 출력에 장점이 있지만, 구조 상 프린팅 바닥 크기가 동일 가격의 카르테시안 방식보다 작고, 외곽 프린팅 품질이 좋지 않다.


프레임 내구성을 고려해, metal 타입 3D 프린터를 구입한다면, 저가 DIY 제조사로 유명한, ANet, zonestar, flsun 제품을 고려할 수 있다. 다음은 각 제조사의 대표적인 저가 DIY 키트이다. 가격은 대부분 20만원 선이다.


ANet사의 Reprap A2 모델 (참고로, 아크릴 프레임 Reprap prusa i3 A8 모델도 많이 팔림)


5. 마무리
3D 프린팅은 아직 안정화되지 않은 기술이다. 다루는 사람에 따라 품질과 성능의 차이가 크다. 돈이 많으면, 고품질 제품을 사용하면 되겠지만, 그렇지 못하다면, 적절한 지점에서 성능을 타협한 제품을 구할 수 밖에 없다. DIY 프린터 키트는 타협은 하기 싫고, 기성품과 같은 성능을 얻고는 싶을 때 선택하게 된다.

DIY 키트의 장단점은 분명하다. 매우 저렴한데다, 조립하면서, 3D프린터 동작 원리를 공부할 수 있다. 모험을 떠나고 싶다면, 200달러 DIY 키트를 구입해도 좋다. 다만, 밤 샐 각오하고, 조립하는 동안 여유있는 마음을 가지는 것이 정신건강에 좋다.

DIY 어드밴처 키드(경험치가 부족할 때 DIY 짓을 하다가는 멘탈 붕괴될 수 있다ㅎ. Toejam & Earl)

사실, 잘 모를때는 약간 기능이 후지더라도 평판 괜찬고 저렴한 70~150만원대의 완성품을 구입해 사용하다가, 좀 더 공부하고 내공 쌓은 후 DIY 세계에 뛰어드는 것이 좋다는 생각이다.

참고


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