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MIT, 10배 빠른 FDM 3D프린터 개발
2017-12-21 22:11:54

FDM 방식의 3D프린터를 써보신분들은,
출력 속도를 빠르게 하면 출력품질이 떨어지는 것을 경험하신적이 있으실 겁니다.
MIT에서는 어떻게 10배 빠른 FDM방식을 개발했을까요?

레이저를 사용하여 일반 Desktop FDM 프린터보다 약 10배정도 빠른 프린터를 개발했습니다.
새로운 방식의 프린터 헤드(익스트루더)에 레이저를 사용하고, 필라멘트의 압출 속도를 높이기 위해서 스크류 메커니즘(screw mechanism)을 사용했습니다.

사실 레이저는 일반적으로 SLA, SLS, SLM등의 방식에서 사용하는 핵심 부품이죠. (참고로,  이 글 하단에  3D프린터의 프로세스별 분류표가 있습니다. 참고하세요.)
일반적인 FDM방식에서는 레이저를 사용하지 않고, 필라멘트를 녹이기 위해 핫앤드(hotend)에 열을 가해서 뜨거워진 노즐에서 필라멘트를 녹여서 압출합니다.

MIT 연구원들은 레이저와  스크류 메커니즘을 이용하여 10배 빠른 FDM 3D프린터를 개발했습니다. 
레이저로 빠르게 온도를 올리고, 스크류 메커니즘으로 강하게 노즐로 필라멘트를 밀어냅니다.
연구원들은 이 방식을 FastFFF(Fast Fused Filament Fabrication) 방식이라고 명명했습니다.
참고로, FFF나 FDM 이나 같은 의미입니다. 특허 문제 때문에 다르게 부르는 거라고 알고 있습니다.

연구원인 Hart는 10배 빠른 FDM프린터는 생각해볼만하다고 판단했고, 3D프린터를 프로토타입용으로만 이용하지만, 빠른 FDM 프린터를 좀 더 실용적으로 만들수 있다고 생각했습니다.
출력시간 1시간 걸리는 3D모델을 5분, 10분 만에 출력할 수 있다는 얘기가 되고, 수리공들은 문제를 찾아서 개선된 부품을 바로 출력을 할 수 있고, 응급의학에서도 유용할 것입니다.
이 방식을 개발한 목적은
느린 압출 속도, 소재를 압출하는 힘이 약한다, 노즐온도를 올리는데 시간이 오래 걸린다. 
이 세가지 FDM방식의 약점을 개선하기 위해서입니다.
Hart 연구원은  말합니다.
"이 3가지를 향상시킬 수 있는 3D프린터를 자체적으로 어떻게 디자인 할지 생각했었고, 우리가 해냈습니다."


일반적인 Desktop FDM방식에서는 익스트루더 모터에 연결된 톱니바퀴와 베어링 사이로 필라멘트를 밀어넣어서 압출(pinch-wheel mechanism)을 시킵니다. 하지만 이 방식 대신에 스크류 메커니즘으로 필라멘트를 느슨하지 않게 빠른 속도로 압출합니다.

새로운 익스트루더는 내부에서 회전을 합니다. 필라멘트를 잡아주는 힘을 늘리고, 빠른 속도로 압출하기 위해 특별하게 직물감이 있는 필라멘트(textured filament)를 개발했습니다.
한편, 레이저는 필라멘트가 노즐을 통과하기 전에 가열하여 녹입니다. 기존 FDM방식의 열전도 방식보다 더 빠르고 확실하게 녹일 수 있습니다.

작동하는 동영상을 보시죠.

Fast desktop-scale extrusion 3D printing


일반 FDM 3D프린터가 작동하는 걸 몇 배속으로 빨리 보는것 같네요. ^^ 
뚜두뚜두뚜두....작동하는 소리가 마치 연사하는 총소리 처럼 빠르네요 ^^;
익스트루더가 움직이는 속도도 정말 빠르네요. 모터컨트롤이 쉽지않았을 것 같네요^^

이 프린터의 외관을 잠깐 보면,
연마봉은 일반적으로 익스트루더에 연결되는 연마봉 보다 훨씬 두껍고, 그리고 약간 휘어져 있네요. 십자형태도 아니구요. 일반적으로 출력물을 빨리 굳게하기 위해 노즐 바로 옆에 팬을 장착하는데, 이 장비는 두꺼운 투명플라스틱 관이 연결되어 있네요. 출력 속도가 빠르니, 냉각을 강하게 해주기 위해서 인 듯 싶네요.

속도를 올릴 수 있는 또 하나의 비결은, 새로운 갠트리 디자인(Gantry design)입니다. H 프레임은 두개의 모터로 움직입니다.  
갠트리 디자인은 항만에 있는 크래인 상단이 H빔으로 구성되어서 물건을 옮기는 구조를 생각하시면 참고가 되실 겁니다.

새로 개발한 3D프린터를 테스트해보기 위해서 MIT 연구원들은 여러가지 복잡한 파트, 미니어쳐 의자, 조그만 건물, 안경테 등 출력시간이 5~10분 걸리는 것들을 출력해봤습니다.

출력한 샘플 출력물들
하지만, 이 새로운 프린터는 아직 완벽한건 아닙니다.
때때로 출력하는 레이어가 굳지 않는 현상이 나타납니다. 그래서 다음 레이어가 형태를 잡는데 문제가 되곤 합니다. 출력물을 빨리 굳게 도와주는 쿨링하는 부분이 문제가 있는 것 같습니다. 
이렇게 빨리 움직이니, 쿨링에 문제가 생길 것 같기도 합니다.

MIT 연구원들은 고강도 폴리머, 복합 소재로 출력하는 것, 큰 출력물을 출력하는 것 등을 계획하고 있다고 합니다.

아직 많은 부분이 공개되지 않아서 정확하게는 모르겠습니다만, 몇가지 든 궁금한게 생기네요.
첫번째가 "관성"입니다.
물리적으로 달리다가 바로 멈추기가 어렵고, 방향전환도 90도 전환하기가 어렵습니다. 이건 모든 물질에 적용되는 건데, 익스트루더가 저렇게 빨리 움직인다면, 필라멘트도 관성이 생겨서 원하는 대로 형태를 표현하기가 어렵지 않을까? 하는 생각을 했습니다. 출력샘플을 보니, 원하는 형태로 만들어진것 같은데요, 아마도 소프트웨어적으로 이러한 것들을 감안하여 속도를 계산해서 제어를 했을 것 같네요.

그리고, 슬라이싱할때 retraction 같은 셋팅값을 어떻게 맞춰야 하나? 하는 생각이 들었습니다.
저렇게 고속으로 움직이면, retraction 같은 셋팅값을 정확히 잡기가 쉽지 않을 것 같다는 생각이 들었습니다. 실제 위 사진의 출력 샘플중에 spiral 모양이 있는 출력물들 표면상태를 보니, retraction 값이 정확하지 않거나, 제대로 retraction이 안됐을 수 도 있겠다 싶습니다. 너무 빠르니까요...

또하나 든 생각이, 듀얼노즐로 만들었으면 좋겠다는 겁니다.
듀얼 노즐의 FDM프린터를 사용해보신 분들은 느끼시겠지만, 출력시간이 너무 오래걸립니다.
일반적인 싱글 노즐 프린터에 비해서 몇 배는 걸리는 것 같습니다. 출력물의 형태에 따라 다르지만요.
저 정도 속도로 움직이는 듀얼 노즐 방식의 FDM 3D프린터가 있다면 좋겠네요^^

익스트루더랑 연결되는 H 프레임이 직선이 아니라 살짝 휘어져 있습니다.
저렇게 되면 같은 레이어에서  X,Y 좌표값에 따라 Z축의 값이 달라지게 됩니다. 
Z축 높이를 똑같이 보정해주려면, 노즐이나 베드가 Z축으로 휘어진 만큼 움직여야 한다는 건데요.
동영상으로 봐서는, 노즐이 움직이는 지는 잘 모르겠고, 베드는 좌우로 좀 흔들리는 것 같은데, 정확히 모르겠네요. 아니면, 휘어진 상태 그대로 출력을 할 지도 모르겠는데, 그러면 출력시에 고려할 사항들이 더 많아질 것 같은데요... 휘어지게 디자인한 이유가 분명히 있을텐데, 궁금하네요.

마지막으로, 새로 개발했다는 필라멘트(textured filament)도 궁금하네요.

이 방식이 제대로 상용화가 된다면, 유용하게 쓰일데가 많을 것 같습니다.
기존의 불편함을 해소하기 위한 이러한 연구들은 항상 흥미롭습니다.
우리나라에서도 4차 산업혁명이라는 화두가 여기저기서 많이 얘기되고 있는데, 
그에 발맞춰서 이러한 새로운 시도들이 우리나라에서도 활발해졌으면 좋겠네요.

연구 논문도 있는데, Abstract 만 보여주고 내용을 보려면 구매를 해야 하네요.
관심있는 분들은 참고하세요. 
Fast Desktop-Scale Extrusion Additive Manufacturing

어떤 분이 이 논문을 공짜로 볼 수 있는 링크를 알려주셔서 업데이트 합니다. 참고하세요.
https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1709/1709.05918.pdf

3DHubs에서 만든 3D 프린터의 프로세스별 분류표 입니다. 참고하세요. 클릭해서크게 보세요.


참고) http://www.3ders.org/articles/20171129-mit-engineers-develop-10-times-faster-desktop-fdm-3d-printer.html

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