3D프린터 노즐방식 알아보기

사진이나 악보를 프린터로 종이를 인쇄하듯이 자전거나 그릇, 신발, 장난감, 의자 같은 상품의 설계도를 컴퓨터로 그리거나 내려받아 3차원으로 인쇄하는 3D프린터.
원래 3차원 프린터를 만든 목적은 상품을 내놓기 전 시제품을 만들기 위해서였는데 현재는 4차 산업혁명의 핵심기술로 주목받으면서 많은 사람들의 관심을 받고 있고, 다양한 분야에 활용되고 있다.
입체 형태를 만드는 방식에 따라 크게 한 층씩 쌓아 올리는 적층형과 큰 덩어리를 깎아가는 절삭형으로 구분되는데 전자는 쾌속조형방식을 활용한 것이고, 후자는 CNC가공이라고 생각하면 된다.

오늘은 3D프린터 노즐방식에 대해 알아보려고 한다.
적층가공방식은 크게 필라멘트를 사용하는 방식, 분말 가루를 사용하는 방식, 그리고 액체 수지를 사용해서 형상을 만드는 방식으로 나눠지는데 액상 수지를 사용하는 방식은 SLA와 DLP방식을 많이 활용하며 액상 수지에 레이저를 쏴서 굳혀 형상을 만드는 방식이다.

분말가루를 사용하는 방식은 SLS, DMLS, EBM이 있으며 플라스틱 파우더를 강한 레이저로 쏘면 닿는 부위가 녹으면서 굳게 되는데 이런 식으로 과정을 반복하면서 형상을 만들고, 3D프린터중에서도 가장 대중화된 방식인 FDM방식은 고체 필라멘트를 사용하는 대표적인 방식으로 열가소성 플라스틱의 소재를 녹인 후 압출기로 연속적으로 밀어내면서 적층하는 방식이다.
주로 PLA와 ABS필라멘트를 사용하는데 FDM외에도 FFF방식, MJM방식이 있고, FDM의 3D프린터 노즐방식은 카르테시안방식, 멘델방식, 델타 방식이 있다.

우리가 현재 많이 사용하고 있는 것이 바로 멘델(Mendel)방식인데 베드가 Z축으로 내려가면서 프린팅 노즐이 X, Y축으로 이동하며 형상을 만드는 방식으로 쉽게 말해서 위에 있는 노즐이 움직이면서 아래에 있는 베드에 그림을 그리듯 재료를 쌓아 올려 형상을 만드는 것을 말한다.
이 장비의 특징은 X축과 Z축이 한 몸이 되어 움직이고 y축이 따로 있다는 것, 그리고 다른 방식의 프린터보다 구조가 쉬워서 만들기도 쉽고 자가 복제도 쉽다는 것!!

그리고 멘델방식은 또 두 가지 방식으로 나뉜다.
필라멘트 압출기가 헤드에 달려있는 방식과 필라멘트 압출기가 헤드가 아닌 다른 곳에 있는 방식인데 압출기가 헤드에 있을 경우 헤드의 무게가 무거워져서 출력 속도가 느려지게 되고, 헤드에 압출기가 없는 방식은 헤드의 무게와 출력공간에 제약이 없어지지만 필라멘트의 이탈 같은 문제가 생긴다.

다음으로 카르테시안(CARTESIAN)방식은 카르테시안 좌표계를 바탕으로 하는데 핫엔드부가 X축과 Y축이 각 방향으로 제어되고, Z축이 상하로 움직이면서 출력하는 방식으로 보통은 노즐이 움직이며 아래 베드에 재료를 쌓아 올리는데 카르테시안은 베드가 움직인다.
이 방식은 큰 물체를 출력할 때 주로 사용하는데 재료가 나오는 노즐이 움직이는게 아니다 보니 출력물이 훨씬 정교하다고 한다.

이 방식의 특징은 직선형 구동을 기반으로 하므로 직선을 긋는데 안정적이고, 정밀하며 간단한 구조로 되어 있기 때문에 편리하지만 정확한 곡선을 그리는 데는 맞지 않으며 각 구동축의 형태가 달라서 각기 다른 설계가 필요다는 것!!!
그렇다 보니 장비에 부품이 많아져서 출력 속도가 느려질 수 밖에 없다.

마지막으로 델타(Delta) 방식에 대해 알아보겠다.
이 방식은 노즐을 잡아주는 축이 하나인 카르테시안과 멘델에 비해 3개의 축이 하나의 노즐을 고정하고, X, Y, Z축이 동시에 움직여 베드에 출력물을 적층해 나가는 방식으로 공간활용도가 높고, 베드가 고정되어 있어서 출력물 수축으로 인해 출력 중에 출력물이 쓰러지는 일이 적다고 하며 출력 속도가 빠르다는 것이 특징이다.
그러나 단점 때문에 이 방식 사용자가 적다고 하는데~~!!!
바로 X, Y, Z의 세 축이 헤드와 연결되어 한 번에 움직이게 되는데 이때 원점 제어가 어렵다는 것!! 또 장비 고장이 나면 어느 부분이 잘못됐는지 확실히 알기 어려워 수리가 어렵다는 단점이 있다.

지금까지 FDM 3D프린터 노즐방식에 대해 알아보았는데 글쓴이도 멘델, 델타, 카르테시안 장비 모두 사용해 보았다.
확실히 델타방식이 조작하기가 어렵웠다. 하지만 기회가 된다면 모든 방식 다 경험해 보는 것도 좋을 것 같다.