3D프린터 멀티헤드, 듀얼노즈의 개념

3D프린터 멀티헤드, 듀얼노즈의 개념에 대해서 자세히 알아보자. 멀티헤드란 동시 출력이 되는 것을 뜻하는데, 즉 듀얼노즈와 같은 뜻을 가지고 있다. 3D프린터를 깊게 공부하다 보면 기계별로 가지고 있는 특징 외에도 3D프린터가 출력물을 만들어내기 위한 기능들이 다양하게 있다는 것을 알게 된다. 따라서 이번에는 3D프린터의 멀티헤드, 듀얼노즈에 대해서 알아보고 그 개념이 어떤 것인지 정리해 보도록 하자.

 

 

3D프린터의 멀티 헤드의 개념과 예시

'멀티 헤드는 한 빈의 출력에서 여러 종류의 필라멘트를 같이 사용하기 위한 모든 장치와 기술을 총칭한다. 종류가 다른 두 필라멘트를 동시에 사용할 수 있는 듀얼 압 출(Dual extrusion), 또는 듀얼 노즐(Dual nozle) 기술은 개발된 지 꽤 오래되었을 뿐 아니라 현재의 멀티 헤드 기술의 주류를 차지하고 있다. 최근에는 3종, 또는 5~6종의 동시 압출에 대해서도 도전이 이뤄지고 있다.
멀티 헤드는 여러 방향으로 응용이 가능하다. 예를 들어, 특정한 용액에 녹는 소재를 서포트의 원료로 사용하고, 녹지 않는 소재를 출력물의 원료로 사용하면 용액에 담가 두는 것만으로 서포트를 깔끔하게 제거할 수 있다. 두 개의 출력물을 동시에 출력함으로써 생산 시간을 단축시키는 식으로도 응용할 수 있다. 이는 멀티 컬러 프린팅에도 활용할 수 있는데. 예를 들어 여의주를 감싸고 있는 용을 출력할 때 용은 초록색 필라멘트로, 여의주는 빨간색 필라멘트로 출력하는 것이다. 이렇게 하면 기존처럼 오랜 시간과 노력을 들여 후가공하고 나 색을 칠할 필요가 없으므로 매우 효과적이다.

3D프린터의 듀얼 노즈의 개념과 정리

다음으로는 3D프린터의 듀얼 노즈의 개념과 정리를 이야기해 보자. 3D프린터의 자동 방식에 따라 생김새가 상당히 다르기는 해도, 멀티 헤드는 여러 종류의 필라멘트를 동 시에 공급할 수 있는 다수의 콜드엔드를 갖추고 있다. 이때 동시에 사용할 수 있는 필라멘트의 숫자는 콜드엔드의 개수와 같다. 보통 일반적으로 듀얼 노즈는 종류는 핫엔드의 개수를 기준으로 나눠진다. 즉, 콜드엔드의 개수만큼 핫 엔드가 갖춰져 있어 필라멘트를 따로따로 압출하는지, 아니면 하나의 핫엔드만을 사용해 압출하는지에 따라 달라지게 되는 것이다. 전자의 경우 각각의 필라멘트가 서로 다른 노즐을 통해 압출되므로, 출력 온도가 완전히 다른 소재를 자유롭게 사용할 수 있다. 대신 헤드의 크기가 크고, 노즐 간의 평형을 정확히 맞추지 못하면 사용할 수 없다는 단점이 있다. 별도의 수평 조절 장치를 사용해야 하므로, 일반 사용자들이 제작하기도 까다롭다.
한편 후자의 경우는 사용하는 필라멘트의 개수와 상관없이 하나의 핫엔드만을 사용한다.
따라서 출력 온도가 다른 재료는 같이 사용할 수 없다. 그러나 헤드의 크기를 최소화할 수 있을 뿐 아니라 제조. 난이도도 낮다는 장점이 있다. 대표적으로는 E3D 사의 사이클롭스 (Cvdlopse) 핫엔드가 있다. 다이아몬드 핫엔드 (Diamond Hotend)는 여기에서 한걸음 더 나아가 3개의 필라멘트를 한 노즐에서 받아들여 사용하는 형태의 핫엔드이다. 이름의 유래는 노즐이 다이아몬드 형태이기 때문이다. 기존의 듀얼 노즐과는 달리 컬러 교체 시 위치를 바꿀 필요가 없으며, 두 필라멘트가 섞여버리는 영역 또한 최소화됐다. 이러한 핫엔드 들은 하나의 노즐을 통해 필라멘트가 압출되므로 같은 소재나 다른 색상의 필라 멘트를 섞어서 새로운 색상을 만들어내는 조색(Color Blending)도 가능하다. 그러나 FFF방식 프린터 자체가 그렇듯이, 멀티 헤드 기술 역시 아직 완벽하지는 않다. 멀 티 헤드의 수평 조절이나 조색 등은 기술적인 난이도가 상당히 높고, 아직 문제가 완전히 해결되지 않았다. 출력 시간이 길어지는 것도 흠이다. 필라멘트를 교체할 때마다 찌꺼기를 제거하는 작업을 반복해야 하기 때문이다. 이 과정에 문제가 생기면 찌꺼기가 출력물에 섞이는 경우도 종종 있다. 조색 기능 역시 아직 초보적인 단계에 머물러 있으며, 세심하게 조 절하지 않으면 보통 두 색이 섞이다 만 듯한 결과를 만들어내기 쉽다.

 

멀티헤드, 듀얼노즈로 알아보는 3D프린터의 최근 동향

최근에는 메이커봇이나 얼티메이커 등, 유명 제조사들을 중심으로 멀티 헤드 기술이 점점 상용화되어 가는 추세에 있다. 얼티메이커 3은 듀얼 노즐을 지원하는 대표적인 프린터 중 하나로, 뛰어난 출력 품질과 안정성을 자랑하며 2018년 프로슈머 부문 베스트 프린터로 선정되기도 했다. 국내에서는 신도리코사 등에서 멀티 헤드를 탑재한 프린터를 출시한 바 있다. 신도리코의 두 개의 헤드가 독립적으로 작동하므로 앞서 설명한 수평 조절 문제에서 자유로운 편이고, 출력 효율이 높다. 플렉시블 베드와 터치스크린 등 전작들의 특징이었던 편의 기능도 고루 갖추고 있다. 먼저 스커트(Skirt)는 첫 레이어를 출력하기 전에, 첫 레이어 주변으로 일정한 간격을 두고 한 개 또는 여러 개의 테두리를 만드는 것이다. 이를 통해 베드에 배치된 모델의 위치가 적 절한 지, 출력에 방해가 되는 요소가 없는지 테스트하는 것이 가능하다. 출력 전에 노즐을 청소하는 역할도 겸하지만, 첫 레이어와는 맞닿는 부분이 없으므로 출력물 안착에 도움을 주지는 못한다.

 

라프트는 3~S레이어에 걸쳐 바닥에 넓은 판을 먼저 깔고 나서 모델의 첫 레이어를 시작한다. 가장 확실한 출력물 안착 방법이기도 하고, 레이어 사이사이에 약간의 완충 영역 Interface)을 두기 때문에 베드 레벨링이 약간 잘못되어 있더라도 이를 어느 정도 보상 하는 효과가 있다. 하지만 효과가 확실한 만큼 시간이 오래 걸리고, 재료도 만만찮게 소모한다는 단점이 있다. 때때로는 안착이 지나치게 잘 되어 출력물을 떼어내기 어려운 경우도 있다.
반면에 브림은 모델의 첫 레이어 테두리를 따라 그리는 것을 여러 번 반복하여 폭이 넓은 접촉 면적을 형성한다. 라프트보다 생성 시간이 짧고, 출력이 끝난 후 제거하기도 쉽다. 하지만 첫 레이어의 형상이 지나치게 복잡하다면 브림은 사용하지 않는 것이 낫다. 테두리가 구불구불하거나 뾰족하게 각이져 있는 부분을 따라 브림을 생성하다 보면 베드에서 떨어 지기가 쉽기 때문이다.