3D 프린터 출력 속도 높이려면?

3D 프린터 속도를 높이려면?

3D 프린터 출력 속도 올리기 – 물리적으로 출력속도가 높아지면 출력물의 퀄리티는 낮아지게 된다. 로봇과 비슷한 구조인 적층형 3D 프린터는 스텝모터를 사용하여 x, y, z의 좌표를 제어하게 된다. 그리고, 로봇에서의 엔드이펙터(end-effector)에 해당하는 것이 익스트루더(extruder)이다.

그림 1. 보우덴 방식 (왼쪽), 직결식 (오른쪽) 익스트루더

익스트루더는 보우덴(bowden) 방식과 직결식 (direct) 이 있는데,  보우덴 방식은 필라멘트를 밀어주는 스텝모터와 기어부가 외부에 있고, 직결식은 익스트루더와 결합된 방식이다. 보우덴 방식은 인드이펙터부가 직결식에 비해서 가볍기 때문에 방향전환을 해야할 때, 직결식에 비해서 빠르게 이동시킬 수 있다. 하지만, 휘어지는 필라멘트와 같은 특수한 필라멘트를 익스트루더까지 공급제어를 하기에 어려운 점이 있다. 많은 3D 프린터에서 채용하는 직결식은 엔드이펙터라 할 수 있는 부분이 아이 주먹만한 스텝모터를 포함하기 때문에 상당히 무겁다.

즉, 빠른 속도로 출력을 할 때 어려움을 겪는 이유는 이 무거운 익스트루더 때문이다. 그러면, 로봇공학의 관점에서 빠른 속도로 정확하게 제어할 수 있는 방법은 무엇일까? 보우덴 방식으로 바꾸기만 하면 되는걸까?

A. 액츄에이터 접근

일반적으로 많이 사용하는 액츄에이터는 스텝모터이다. 스텝모터는 일반적으로 프린터, 레이저조각기, CNC 등 정밀제어가 필요한 곳에서 사용되었다. 스텝모터의 특징은 편리하고 정확하게 디지털로 제어할 수 있다는 것이다. 3D 프린터에서 사용하는 스텝모터 장단점은 무엇이 있을까?

– 장점
1. 오픈루프 제어가 가능하다. 펄스입력으로 위치로 이동시킬 수 있다.
2. 정지, 정/역회전의 응답성이 좋다.
3. 브레이크를 사용하지 않고, 정치 위치를 유지할 수 있다.

– 단점
1. 크고 무겁다.
2. 크기에 비해 토크가 적다.
3. 과부하에서 난조(탈조 현상)를 일으키며, 동기가 되지 않을 수 있다.
4. 고속회전이 힘들고, 저속시에는 진동이 발생한다.

위와 같은 장단점을 보았을 때, 스텝모터를 사용하여 고속으로 출력을 시도했을 때 예상할 수 있는 문제점으로는 “고속회전이 어렵다는 것과 과부하에서 탈조현상이 발생하여 에러가 생긴다는 것이다”. 이를 본질적으로 해결할 수는 어렵겠지만, 1) 좋은 스텝모터 사용, 2) 엔코더 부착 스텝모터를 사용한 3D 프린터 출력속도 개선 및 에러 보정을 할 수 있고, 3) 엔코더 DC 모터를 사용하여 제어하는 것도 고려해볼 수 있다. 하지만, 엔코더 DC 모터를 사용하게 되었을 경우에는 좋은 엔코더와 이에 따르는 비용이 문제가 될 수 있다.

B. 구조 접근

구조적으로 출력 속도를 높일 수 있는 방법은 무엇이 있을까? 먼저, 1) 익스트루더의 형태를 보았을 때는 보우덴 방식으로 통해 익스트루더의 무게를 줄이고, 이에 따르는 속도를 올리는 방식이 가능하다. 두 번째로 전체적인 구조를 고려했을 때는 2) 직교형 방식의 XZ-Y 및 XY-Z와 패러렐 로봇 방식인 델타봇을 생각해볼 수 있다.

XZ-Y 방식은 익스트루더는 XZ 방향으로 이동하고, 베드는 Y축으로 이동하는 방식이다.

XY-Z 방식은 익스트루더는 XY 방향으로 이동하고, 베드는 Z 축으로 이동하는 방식이다.

XZ-Y 방식은 상대적으로 빠르고 구조가 간단하다는 장점이 있지만, 베드가 수시로 움직이기 때문에 출력의 품질이 XY-Z 방식에 비해 낮을 수 있다. 반면에 XY-Z 방식은 품질이 상대적으로 좋을 수 있지만, 출력속도가 상대적으로 낮을 수 있고, 구조가 다소 복잡하기에 가격도 상대적으로 높을 수 있다.

직교방식이 아닌 패러렐 방식의 델타봇은 베드가 고정되어 출력품질이 높고, 출력속도도 상대적으로 좋을 수 있기에 3D 프린터로 사용되곤하지만, 조립 정밀도의 영향을 많이 받고, 벨트의 텐션이나 축 정렬이 어긋날 경우에는 익스트루더 쪽이 흔들리는 문제가 발생할 수 있다.

그리고 세번째로는 동력 전달 메커니즘인 3) 벨트와 스크류를 비교해볼 수 있다.

벨트는 저렴하며 많은 디자인에서 채용하고 있다. 하지만, 장력을 조정하는 것이 문제가 될 수 있고, 스크류는 벨트에 비해서 가격이 비싸다. 최근에는 리드 스크류를 사용하여 제작하는 경우가 많아지고 있으니, 다양한 규격을 참고해볼 수 있다.

 

 

C. 제어 알고리즘 접근

탈조를 막기 위해서는 엔코더를 사용하여 피드백 제어하는 것을 고려해볼 수 있다.

그리고, 스텝모터가 동일한 속도로 이동하는 것이 아니라 직선에서는 빠르게 이동하고, 방향전환을 할 때는 속도를 감속하는 알고리즘을 개선함으로써, 제품의 퀄리티를 보장하면서 속도를 올릴 수 있는 방법이 될 수 있다. 다양한 제어 알고리즘을 통해서 3D 프린터 출력 속도가 개선될 수 있을 것이라 생각한다.

D. 관리를 통한 속도 향상

1) 슬라이스 프로그램 기본 속도 값을 변경하기

가장 일반적으로 사용하는 방법으로는 슬라이싱 소프트웨어에서 프린팅 속도를 올리는 방법이다.
하지만, 일반적으로 직결식/보우덴식의 익스트루더 모두 관성의 영향으로 백래시가 걸리게 된다.
이는 출력물에 있어서 문제가 된다.
하지만, 구조가 복잡하지 않고 단순한 형태라면, 슬라이스 프로그램 기본 속도를 조절하는 것으로도 출력 속도를 높일 수 있다.

2) 채우기 (infill density)와 두께 조정 (wall thickness)

3D 프린팅을 할 때, 내부를 완벽히 채우는 것이 아닌 벌집 구조나 사각형 구조를 통해 내부를 채운다.
즉, 100% 채우는 것이 아니라 다음과 같이 채우는 것인데, 양을 조절하거나 벽의 두께를 조정함으로써 예상 출력시간을 줄일 수 있다.
물론, 이 경우에는 재료의 강성과 출력물의 용도에 맞게 설정해야 한다.

3d printing speed

3) 큰 노즐을 사용하거나 레이어의 높이를 높게 하기

제품 퀄리티와 타협을 할 수 있는 시제품을 제작할 수 있다고 하자.
큰 노즐을 사용하거나 레이어의 높이를 높게 할 수 있다.
혹은 제작하려는 제품의 사이즈가 크다면 노즐의 사이즈를 키워보는 것도 출력 속도를 높이는 하나의 방법이 될 수 있다.

 

3D 프린터 출력 속도 올리기 – 라는 주제로 포스팅을 했다. 로봇공학적인 측면에서 3D 프린터는 개선될 수 있는 부분이 많을 것이라 생각된다. 우선, 플랫폼을 디자인하고, 제작하면서 다음 포스팅을 준비해보려고 한다.

 

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