3D프린터의 출력성능 (출력크기, 속도, 품질, 필라멘트)

3D프린터의 출력성능 (출력크기, 속도, 품질, 필라멘트)에 대해서 자세하게 알아보도록 하겠다.

3D프린터는 다양한 요소에 영향을 받아서 성능이 달라진다. 따라서 이러한 개념들을 하나씩 이해하고 넘어가야만 원하는 결과물을 만족스럽게 얻을 수 있게 되는 것이다. 그러면 이제부터는 3D프린터의 출력크기, 속도, 품질, 필라멘트에 따른 출력성능에 대한 각각의 내용과 원리에 대해서 살펴보자.

 

 

 

(1) 3D프린터 출력성능 알아보기 (출력크기)

출력 크기(Build volume)란 3D 프린터가 한 번에 출력할 수 있는 출력물의 최대 크기를 말한다. 출력물은 3차원 입체이므로, 이때 크기라 함은 당연히 전체 부피를 가리킨다. 이는 사용 가능한 베드의 면적(X, Y)과, 베드와 노즐 사이의 높이차(Z)에 의해서 결정된다. 보통 프린터의 최대 출력 크기는 XX Y xZ가 200 x 200 x 200mm 정도이다. 물론 이론적으로는 프린터 본체를 더 크게 만들기만 하면 얼마든지 출력 크기를 늘릴 수 있다. 그러나 제작 비용이 크게 증가하기 때문에, 실제 300mm 이상의 크기를 갖는 것은 대부분 산업용 프린터로 출시되는 수백만 원 대의 제품들이다. 따라서 프린터의 최대 출력 크기가 200 x 200x 200mm 전후라면 개인용 프린터로는 충분한 사양이라고 할 수 있다. 종종 출력 크기를 베드의 전체 면적(X, Y)과 프린터가 구동 가능한 최대 높이(Z)를 기준으로 표기하는 제조사도 있다. 그러나 출력물이 이와 같은 최대 범위를 충족하는 경우는 좀처럼 없다. 실제로 안정적으로 출력 가능한 크기는 모든 축에서 최대 범위보다 약 10~20mm는 작다고 보는 것이 좋다.

(2) 3D프린터 출력성능 알아보기 (출력속도)

출력 속도(Print speed)란 헤드와 베드가 움직이는 속도를 의미한다. 출력 속도에는 방 향 전환을 위한 가속과 감속 과정이 함께 고려되어 있으며, 뒤에서 더 설명하겠지만 출력 중 특정 부분에서의 속도를 높이거나 낮추는 과정 또한 포함되어 있다. 어떤 작업에서든 작업 속도가 빠를수록 작업 시간은 감소한다. 여러분은 아마 이러한 속도와 시간의 반비례 관계에 익숙할 것이다. 그러나 3D 프린터에서는 출력 속도와 출력 시간 이 꼭 정확하게 반비례 관계를 이룬다고는 할 수 없다. 출력 속도를 두 배로 빠르게 한다고 해서 출력 시간이 절반이 되는 것은 아니라는 것이다. 출력 과정에서 수없이 방향 전환을 할 때마다 감속, 가속에 시간이 소요되기 때문이다. 오히려 출력 속도를 빠르게 할수록 출력 품질이 떨어지는 문제가 발생할 수도 있다. 이러한 현상은 자연스러운 것이다. 헤드와 베드가 빠르게 움직이면 움직일수록 압출 성형의 정확 도가 떨어질 뿐만 아니라 진동이 커지게 되기 때문이다. 여기에서 프린터의 진짜 성능이 결정된다. 안정적인 이송 장치와 견고한 익스트루더를 갖춘 프린터는 상대적으로 높은 속도에서도 출력물의 품질을 안정적으로 유지할 수 있다.
그렇다면 출력 속도는 어느 정도가 적절할까? 잘 조립된 프린터는 100mm/s가 넘는 속도에서도 안정적으로 작동한다. 하지만 그런 프린터조차도 실제로는 80mm/s 이하의 속도를 사용하는 경우가 많다. 출력 속도의 기준이 명확하게 세워져 있지는 않지만, 보통 20~ 40mm/s 정도를 느린 속도, 40~60mm/s 정도를 중간 속도로 본다. 그 이상의 속도는 많은 프린터에서 지나치게 빠르다. 이 정도의 속도가 실제로 어느 정도인지 감이 잘 오지 않을 것이다. 대략, 40mm/s의 속도로 종이컵 정도 크기를 출력하는 데 세 시간 정도 걸린다(출력 시간은 출력 속도 외에도 다른 몇 가지 요소에 의해 달라진다. 이에 대해서는 이후의 장에서 다룬다). 어떤가? 생각했던 것보다 느려서 불만족스러운가? 나도 처음 프린터를 작동할 때, 별것 아닌 작은 출력물을 뽑는 데 1시간이 넘게 걸리는 것을 보고 낙심했던 적이 있다. 하지만 조금만 다르게 생각해 보자. 이 책을 읽고 있는 여러분 가운데, 몇 가지 공구를 이용해서 손으로 플라스틱 소 재를 가공, 조형이 가능한 사람은 거의 없을 것이다. 만약 가능하다고 하더라도, 얼마나 정확하고 빠르게 만들 수 있을지는 장담하기 어렵다. 전문 설비를 갖춘 공장에서는 찍어내듯 이 생산이 가능하겠지만, 일반인들은 이러한 산업용 장비에 접근하기가 매우 어렵다. 따라서 3D 프린터는 여전히 메이커들에게 의미가 크다.

(3) 3D프린터 출력성능 알아보기 (출력품질)

의아하게 생각할지도 모르겠지만, 수백만 원대의 고가 제품이 아닌 이상 EFF 방식을 사용하는 3D 프린터 사이에서는 지표로 삼을 만큼 뚜렷한 품질 차이가 없다는 것이 중론이다. 여러 대의 프린터를 사용해 본 유저들은 대개 "가격보다는 얼마나 잘 관리하고 사용하는가의 차이일 뿐"이라고 말한다. 그 이유에 대해서는 차차 알아가기로 하고, 여기서는 두 가지 용어만 먼저 설명하고 넘어가 도록 하자.
• 레이어 높이(Layer thickness): 여러 개의 레이어를 적층 하며 가공하는 3D 프린팅에서, 레이어 한 층의 두께를 말한다. 레이어 높이는 노즐의 직경과 밀접하게 연관되며, 노즐은 쉽게 교체가 가능하므로 사실 프린터의 고유 성능은 아니다.
• 위치 정밀도(Positioning Accuracy): 헤드와 베드를 얼마나 정밀하게 움직일 수 있는가를 나타내 는 지표다. 이는 각 구동축에서 이동 가능한 최소 거리와 연관이 있다.

(4) 3D프린터 출력성능 알아보기 (필라멘트)

종종 우리는 "우리 프린터는 26가지 색상의 PLA 필라멘트를 자유롭게 사용할 수 있다"라는 식의 홍보를 보곤 한다. 사실은 허위 광고나 마찬가지다. PLA는 가장 다루기 쉬운 출력 소재로, FFF방식 프린터라면 당연히 모든 종류의 PLA 필라멘트를 사용할 수 있어야 하기 때문이 다. 물론 가끔씩 히팅 베드의 유무나 익스트루더의 종류 등과 같은 차이점으로 인해 사용하 기 어려운 소재도 있다(6장에서 다양한 필라멘트를 소개할 것이다) 한편 반드시 자사의 제품과 호환되도록 만들어진 전용 필라멘트만을 사용해야 하는 경우도 있다. 3D 시스템즈 사의 '큐비파이, XYZ, 프린팅 사의 '다빈치' 등이 대표적이다. 이러한 프린터에서는 전용 필라멘트 이외의 다른 필라멘트는 사용할 수 없을 뿐 아니라, 이 전용 필 라멘트를 다른 프린터에 사용하는 것도 불가능한 경우가 많다. 특히 일반적인 필라멘트에 비해 비싼 가격 탓에 유지 비용이 늘어나는 것이 가장 큰 단점이다. 다양한 재료와 색상을 사용할 수 없다는 불만도 만만치 않다. 물론 전용 펄라멘트에도 단점만 있는 것은 아니다. 예를 들어 칩 퓨즈를 내장해 필라멘트 잔량을 확인하는 기능이나, 톱니가 나 있는 스틱 형태의 필라멘트를 사용함으로써 압출의 정밀도를 보정하는 기능이 있다. 특히 필라멘트를 간편하게 자동으로 교체해 주는 기능은 번거로운 작업이 부담스러운 초보자에게나, 대량의 반복 작업이 필요한 전문가에게나 반가운  편의 기능이다.