최근 출시되는 일부 데스크탑 3D프린터들의 출력속도가 기존 제품들보다 상당히 빠른 것을 볼 수 있습니다. 또한, 기존 데스크탑 3D프린터들도 소프트웨어 업데이트를 하면 출력속도가 몇 배나 더 빨라지는 것을 볼 수 있습니다. 대표적인 사례가 Bambu Labs사의 3D프린터 입니다. 일반적인 데스크탑 3D프린터들이 출력속도가 50mm/s 인데, Bambu Labs사의 3D프린터는 최대 속도가 500mm/s 로 10배나 빠르고, 출력품질도 괜찮습니다.
어떻게 이렇게 빨라질 수 있는 걸까요?
일반적으로 속도가 빨라지면, 출력품질이 떨어지는데 어떻게 출력품질을 비슷하게 유지할 수 있을까요?

하나씩 살펴보겠습니다.

출력속도와 출력품질은 반비례하는 속성을 가지고 있습니다. 그래서, 출력품질을 높이기 위해 레이어 두께를 얇게 하거나 출력속도를 적절하게 늦추는 방법을 사용하곤 합니다. 레이어두께를 얇게하거나 출력속도를 늦추건간에 출력시간은 증가하게 됩니다.

출력속도 즉, 익스트루더의 움직임이 직진하다가 갑자기 방향을 바꾸게 되면 흔들리게 됩니다. 속도가 빠를수록 흔들림은 더 커지고 출력품질은 사용하기 어려울 정도로 엉망이 됩니다. 아래 그림과 같이 그림자 현상 같은것들이 나타나게 되죠.

<Klipper 홈페이지>

속도가 빠를수록 커지는 떨림, 진동을 없애주는 기술 중의 하나가 input shaping 이라는 기술입니다. 컴퓨터로 제어되는 기계의 진동을 줄이기 위한 개방 루프 제어 기술인데, 이 방법은 자체 진동을 취소하는 명령 신호를 생성하여 작동합니다. 지령 신호의 앞부분에서 여진된 진동은 지령 후반부에 여진된 진동으로 상쇄시키는 것입니다. 
아래 동영상을 보시면 input shaping이 적용되면 진동이 얼마나 없어지는지 아실 수 있을 겁니다.

동영상 초반부에 발생하는 큰 진동이 후반부에 input shaping기능을 적용하면서 상당히 감소하여 거의 진동이 발생하지 않는 것을 보셨을 겁니다.

이 기능을 3D프린터에 적용하면, 익스트루더의 속도가 빠르게 움직이고, 방향을 바꾸어도 진동이 감소하여 출력품질이 저하되지 않을 수 있는 겁니다. 

많은 3D프린터 제조사들이 Marlin 펌웨어를 사용하는데, 2022년 12월에 릴리즈된 최신버전인 Marlin 2.1.2 에서 input shaping 기능이 도입되었습니다.

Github의 Marlin firmware 웹페이지에서는 아래와 같이 설명을 하고 있습니다.
"Marlin 2.1.2에는 기계의 움직임 임펄스 타이밍을 세심하게 조정하여 기계 진동을 보정하는 입력 쉐이핑(Input Shaping) 기능이 도입되었습니다. 입력 쉐이핑을 사용하면 훨씬 더 깔끔한 출력이 가능하며 품질 저하 없이 인쇄 속도를 높일 수 있습니다. 이 구현은 광범위한 테스트를 거쳤지만 아직 실험적인 단계로 간주됩니다. 문제가 있으면 보고해 주세요. 다양한 주파수를 적용하는 테스트 인쇄를 사용하여 기기에 가장 적합한 설정을 찾아보세요."

Marlin 펌웨어를 사용하는 3D프린터 제조사들은 이 기능을 적용하기 위해 자사의 3D프린터의 특성에 맞게 미세 조정을 하고, 필요한 경우에는 하드웨어 장치를 추가/개선을 하면 2~5배 정도 빠른 3D프린터로 개선할 수 있는 것입니다. 3D프린터 제조사들은  input shaping 기능을 얼마나 정교하게 자사의 3D프린터에 적용하느냐에 따라서 출력속도와 품질이 함께 개선될 것으로 보입니다.

속도가 2~5배 빨라진다면, 3D프린터의 하드웨어는 증가된 속도에서도 제대로 작동해야 한다는 전제 조건이 있습니다. 

즉, 하드웨어 디자인이 이 속도를 감당하지 못할 수 도 있고, 싸구려 부품을 사용하면 고장이 빈번하게 발생할 수 있을 것입니다. 그래서 일부 3D프린터는 하드웨어 설계를 개선해야 할 수 도 있습니다. 또한, 사용자들은 하드웨어 유지보수에 좀 더 신경써야 할 것입니다. 벨트 텐션이 느슨하다거나, XYZ축이 부드럽게 움직이게 축에 구리스칠을 자주해야 할 것입니다. 그렇지 못하면 출력품질은 나빠질것이고, 하드웨어 고장도 빈번해질 것입니다.

느린 출력속도는 3D프린터의 약점으로 계속 지적이 되어왔습니다. 이 기능으로 느린 출력속도 문제가 해결되었다고 할 순 없지만, 조금씩 개선되어가는 것을 체감하면서 기분이 좋아지네요. FFF방식의 데스크탑 3D프린터들은 이렇게 속도의 제약에 대해 전환점을 맞이하게 되는 것 같습니다.

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