2021년 1월 27일

FFF :: Fused Filament Fabrication

FFF

Fused Filament Fabrication
열가소성 수지 압출 적층 조형

3D 프린터 제조사인 Stratasys(스트라타시스)사가 1991년 FDM(Fused Deposition Modeling)이라는 이름으로 처음 관련 장비를 상용 출시하였습니다. 이 기술은 흔히 ‘주사기나 글루건’를 예를 들어 설명하기도 하는데요, 하나의 동일한 속성을 가진 원료(최근엔 다른 속성이 함께 섞인 것도 등장하고 있습니다.)를 고열로 녹여 압출해 지정된 지점에 한 방울 씩 떨어뜨리며 한 층씩 쌓아 형태를 완성해나가는 방식입니다.
렙랩(RepRap)에서는 FFF(Fused Filament Fabrication) 방식으로 부릅니다. 원리는 같지만 기존 FDM 방식보다 개인용 하드웨어로써 용이토록 간소화한 것으로 볼 수 있습니다.

+ 기술 원리

XYZist_FFF_Tech-Process

  1. 익스트루더가 원료 필라멘트를 끌어당깁니다.
  2. 필라멘트 스풀의 필라멘트가 당겨집니다.
  3. 고체 필라멘트를 녹일 수 있는 온도로 달궈진 핫-엔드 노즐에서 원료를 압출합니다.
  4. 압출된 원료는 설정된 값만큼 한 층씩 적층되며 조형합니다.

3D(3차원)를 나타내는 세 축인 X, Y, Z축을 기준으로 사물의 단면을 한 층씩 쌓아올리며 조형합니다. 따라서 각각의 구동 부품이 어느 축을 담당하느냐에 따라 조금 씩 그 유형이 다른데요. 이러한 구동방식들은 나름의 장단점들이 존재합니다. 렙랩 기반 3D 프린터는 카르테지안, 폴라, 델타, 스카라, 월리, 파우더, UV 레진 등등 다양한 방식이 존재합니다.

여기서는 렙랩의 대표적인 구동방식인 카르테지안 봇과 델타 봇을 살펴보겠습니다.

1) 카르테지안 봇(Cartesian bot)
가장 흔히 볼 수 있는 유형으로 헤드(원료를 내려주는 노즐, 또는 압출기도 같이 위치하는) 부분과 베드(조형판) 부분이 X, Y, Z축을 나누어 담당하여 움직이는 구동 방식입니다. 헤드만 X축(가로로만)을 담당하고 베드가 Y, Z축을 담당하여 앞/뒤로 움직임과 동시에 위/아래로도 움직이도록 하는 것이 있는가 하면, 헤드가 X, Z축을 담당해 가로로 움직이며 위/아래로 움직이고 베드가 Y축으로 앞/뒤로 움직이는 것도 있습니다.

XYZist_FFF_Tech-movements-cartesian

현재 대다수의 개인용 FFF(FDM) 방식 모델들은 바로 이 카르테지안 봇 범주에 있습니다. 따라서 가장 흔히 볼 수 있습니다. 다만 세부적으로 각 핵심 구동부의 담당 축은 상이하여 그 모습들이 제각각입니다.

2) 델타 봇(Delta bot)
카르테지안 봇과 더불어 가장 많이 개발되는 유형으로써 X, Y, Z축의 구동부가 헤드, 베드로 나뉘어 있지 않고 헤드 한 부분으로 이루어져 있는 것이 특징인데요, 그래서 그 모습도 ’삼발이‘를 뒤집어 놓은 듯한 형태입니다. 델타 봇은 헤드가 무거우면 구동부의 효율성이 떨어집니다. 그래서 보통 카르테지안 봇에서는 압출기가 헤드에 있는 경우도 많지만, 델타 봇의 경우는 압출기가 헤드에 위치하지 않는 경우가 대부분입니다.

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현재 개발되어 있는 델타 봇은 카르테지안 봇보다는 그 수가 적지만 많은 애호가들의 관심을 받고 있습니다. 현시점에서는 외적인 여러 요소들로 인해 빛을 보지 못하는 잠재적인 장점들이 많아 향후 발전 가능성이 주목되는 방식입니다.

실처럼 가느다란 원료 필라멘트를 녹여주는 노즐(핫-엔드)까지 전달해 주는 기구를 ‘압출기(Extruder)’라고 합니다. 이 압출기가 본래 렙랩 프로젝트가 시작되고 만들어진 ‘다윈(Darwin)’이라는 FFF 방식의 시조 뻘 되는 모델에서는 노즐과 함께 붙어 있는 형태였습니다.

이를 ’다이렉트 압출기(Direct Extruder)‘라고 합니다. (물론 지금도 이를 사용하는 3D 프린터가 매우 많습니다.) 당시 렙랩 기반 오픈소스 모델들의 맹점이 본체 구조가 단순하고 견고하지 못해 진동이 심하다는 것이었는데요. 이를 해결하고자 구동부의 가장 많은 움직임을 차지하는 헤드 부분에서 압출기를 분리하여 보다 헤드를 가볍게 움직일 수 있도록 하고자 하였습니다.

압출기는 동력을 전달하는 스테퍼 모터와 함게 붙어있기 때문에 다소 무게가 나가는 부분입니다. 그래서 고안된 것이 ’보우든 압출기(Bowden Extruder)’이라고 하는 압출부 방식입니다. 보우든 방식은 압출기가 대체로 본체 바깥쪽에 위치하게 됩니다. 보우든 케이블처럼 휘어지는 모습으로 헤드까지 원료 필라멘트를 보내주기 때문에 이러한 명칭이 붙여졌습니다.

1) 다이렉트 압출기(Direct Extruder)
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2) 보우든 압출기(Bowden Extruder)
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printrbot-bowden-extruder

두 가지 방식 모두 각각의 장단점이 있습니다. 보우든 방식은 헤드의 무게를 대폭 줄여 보다 빠른 속도로 인쇄할 수 있는 여건을 마련할 수 있다는 장점이 있습니다. 하지만 사용자가 수동으로 원료 필라멘트를 교체할 때 다소 번거롭다는 점과 압출기에서 케이블을 타고 원료 필라멘트가 노즐 초입까지 전달되는 과정에서 노즐 초입부와 케이블이 일체의 직경이 아닌 것이 많아 필라멘트가 제대로 전달되지 못하는 현상이 종종 있다는 단점이 있습니다.
반대로 기존 다이렉트 방식의 경우 원료 교체가 매우 용이하고, 노즐에 전달되는 부분에서는 큰 문제가 없지만 빠른 인쇄 속도를 기대하기에는 한계가 있는 것이죠.

가열판은 일반 조형판과 달리 고온을 전달하는 조형판입니다. 가열기능이 없는 조형판 아래에 바로 위치하기도 하고, 조형판 자체가 가열 기능을 포함하고 있기도 합니다.

가열이 필요한 이유는 일정 온도에서 녹는 원료들을 인쇄 도중 조형판에서 떨어지지 않게 하기 위함이 큽니다. 원료들은 가열되어 압출된 후 금방 식어버리기 때문에 조형판에 제대로 붙어있지 못하는 경우가 많아, 구동부의 지속적인 움직임으로 인한 기체 진동으로 인해 인쇄물이 조형판에서 떨어지게 됩니다. 원료들의 녹는 온도에 따라 가열판 온도도 조절하여 사용합니다.

3D 프린팅은 사물의 단층을 한 층씩 지면에서부터 쌓아 올리는 특성 때문에, 허공에 조형을 할 수 없습니다. 따라서 T 자형의 물체를 바로 세워서 인쇄한다고 했을 경우, 양날개는 조형판과 상당히 떨어져 있어 중앙의 기둥을 쌓으면서 추후 날개를 받쳐줄 ‘지지대(Supporter)’를 함께 쌓게 됩니다. 인쇄가 완료된 후 이 지지대는 떼어내 제거하면 됩니다.

열가소성 플라스틱류를 일반적으로 사용합니다. 실가닥(필라멘트)처럼 스풀에 감겨져 있으며, 필라멘트 직경은 1.75 mm와 2.85 mm로 크게 나뉘어 사용됩니다. 2.85 mm의 경우 대게 3 mm 표기합니다.

기본적으로 ABS와 PLA를 사용해왔습니다. ABS는 우리 일상에서 흔히 볼 수 있는 플라스틱 제품들입니다. ABS에 반해 PLA는 친환경 소재로 많이들 이야기되고 있는 것으로, 생분해성 원료입니다. 이외 다양한 원료들이 있습니다. 이러한 원료들은 녹는 온도가 모두 다릅니다. 심지어 같은 유형의 원료라도 제조사마다 조금씩 상이합니다. 중요한 것은 노즐(핫-엔드) 부분이 어느 정도의 고온까지 올라갈 수 있는지 인데요. 높은 온도를 지원하는 노즐의 경우 보다 다양한 원료를 사용할 수 있다는 장점이 있습니다.

참고: [기술 별 원료 상식]

+ 다양한 결과물들

+ 이해에 도움이 되는 영상자료




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