3D 프린터로 출력물을 만드는 전체적인 과정

이번 포스팅에서는 실제 3D 프린터로 출력물을 만들때 어떠한 과정을 거치는 지를 설명하겠습니다.

우선 3D 프린터 자체를 처음 접하시거나 잘 모르시는 분은 제 블로그의 이전 포스팅인 3D 프린터에 대한 포과절인 설명 이라는 글을 먼저 읽어 보시는 것을 추천합니다.

링크 : http://netpilgrim.tistory.com/2

원하는 출력물을 얻는 과정은 크게 3가지 단계로 나뉘어져 있는데, 그중 첫 번째 단계가 바로 디자인된 파일을 확보하는 작업입니다.

다지인 파일을 확보하는 방법은 크게 2가지가 있습니다. 첫번째는 자기가 직접 디자인을 하거나, 아니면 인터넷에서 디자인이 된 파일을 구하는 다운로드 하는 방법이 있습니다.

그럼 여기서 의문이 드실 것이 아무 3D 디자인이 된 파일이나 구한다고 3D 프린터가 출력할 수 있을까요? 정답부터 말하자면 그렇지는 않다라는 겁니다.

우선 대다수의 3D 프린터에서는 STL형식의 파일을 인식하기에 당연히 3D 디자인이 된 파일이 STL형식을 취하고 있어야만 합니다.

그렇지만 여기서도 또 다른 문제가 STL파일만 가지고서는 3D 프린터는 아무것도 못한다는 것입니다.

그 이유는 우선 3D 프린터의 구성요소 중에 저렇게 회로 기판이 있다는 것 부터 시작해야 할 것 같습니다. 

일단 3D 프린터에서는 마이크로 컨트롤러라고 하는 회로기판이 기본적으로 있는데, FDM방식의 3D 프린터로 설명을 하자면 필라멘트가 녹는 프린터 헤드의 위치를 제어한다고 하면 되겠습니다. 

당연하지만 당연하게 이 회로기판(마이크로 컨트롤러)는 3D 디자인이된 이미지를 읽지는 못합니다.

 

3D 프린터 안에 있는 마이크로 컨트롤러는 수치 데이터만 받아서 움직이는데, 이 수치 데이터가 바로 프린터 헤드가 위치할 X,Y,Z의 3차원 좌표값이 됩니다. 그렇기 때문에 3D 프린터가 실제로 입력받아서 원하는 출력물을 만들고자 할때는 이 프린터 헤드가 일일히 위치할 위치를 가리키는 좌표값이 필요하게 됩니다.그리고 FDM방식에서 프린터 헤드는 이 좌표값을 토대로 움직이면서 필라멘트를 녹여서 사출하는 방식으로 모양을 만들게 됩니다.

그런데 어떻게 해서 이미지 파일을 저렇게 3차원 좌표로 바꾸어 줄까요? 정답은 슬라이서 프로그램이 이 역할을 해주게 됩니다.

일단 슬라이서 프로그램은 위 그림과 같이 3D 디자인된 물체를 맨 밑바닥부터 제일 꼭대기까지 가로 방향으로 잘라 줍니다. 그리고 이 한개의 절단면을 만들기 위해서 프린터 헤드가 어떤 경로로 움직일지를 계산하게 됩니다. 그 계산된 값을 16진수의 숫자 코드로 바꾸게 되는데, 이 값을 바로 G-Code라고 합니다.

이 설명은 어디까지나 FDM방식이며, 다른 방식의 3D 프린터의 경우에는 레이져가 이동하는  경로가 되거나, 바인터 용액이 든 분사기가 움직이는 경로가 됩니다.

위 그림은 FDM방식에서 G-Code를 3D 프린터가 받아서, 정확히는 3D 프린터의 회로기판인 마이크로 컨트롤러가 받아서 어떻게 출력물을 만들어 내는지를 묘사하는 그림입니다. 그림의 제일 오른쪽으로 가면 프린터 헤드를 움직여서, 출력하고자 하는 사람모양의 출력물의 하반신이 만들어 지는 모습을 묘사하고 있습니다.

이렇게 출력을 시작하는 것으로 3D 프린터를 이용한 출력물을 만드는 프로세스의 2단계가 시작되는 것입니다.

그럼 이렇게 출력이 다 끝나고 나면 모든 일이 마무리가 되었느냐 하면 그것도 아닌게, 바로 다음 단계인 마무리를 위한 3단계가 남아있게 됩니다. 이 마지막 3번째 단계를 두고서 보통 후처리 공정이라고 말하고 있습니다.

이해를 돕고자 다음과 같은 그림을 첨부하였습니다. 지지대란 FDM방식에서는 허공에 출력물을 올려놓을 수단이 없기 때문에 임시적으로 올려놓기 위한 임시 구조물로서, 출력이 완성되고 나면 제거되는 것이 일반적이기에 상당히 강도도 약하고 쉽게 떨어져 나갈 수 있도록 설계되어 있습니다. 지지대에 대한 좀 더 자세한 설명은 제 블로그의 이전 포스팅인 [지지대(supprot)에 대한 설명]이란 글을 얽어 주시면 되겠습니다.

당연 위 상태로는 완성이 되었다고 말할 수 없어서 일단 저 지지대를 제거하게 되는데, 위 그림에서 짙은 녹색 부분으로 표시된 부분을 모두 제거한다고 해도 문제가 있습니다.

좀더 확대를 해서 보면, 지지대로 쓰인 제료가 완벽하게 다 제거되지 않고 출력물의 표면에 남아서 표면에 커친 요철을 남기는 경우가 상당히 많습니다. 

이런 경우 위 그림과 같이 주로 사포를 이용해서 표면을 갈아주는 것으로 표면의 요철을 제거하는 과정이 남아 있게 됩니다. 하지만, 표면의 요철을 제거하는 것이 후처리 공정의 전부가 아닙니다.

위 그림에서 묘사가 된 것처럼 표면이 거칠게 남은 찌꺼기나 지지대만이 아닌, 3D 프린터의 출력과정에서 생긴 틈이 생기는 경우도 있습니다. 이런 경우 이 틈새를 메워 주어야 하는데, 이럴 경우 퍼티라고 해서 보통 모형의 접합부나 표면을 다듬는대 쓰는 소재가 있습니다.

위 그림은 퍼티를 출력물의 표면에 발라주는 것으로 틈새를 메우는 과정을 묘사하고 있습니다. 주로 에폭시나 폴리에스테르가 쓰이게 되며, 일반적으로 끈적한 상태의 액체 상태를 유지하고 있다가 공기중에 노출 될 경우 고체로 굳어지는 성질이 있는 종류를 쓰게 됩니다.

이렇게 후처리 과정까지 끝나게 되면 3D 프린터를 이용한 출력이 마무리 되게 됩니다. 다소 복잡하기는 하여도, 일반적인 프린터와는 다르게 3D 프린터는 이러한 과정을 거쳐야 하지만 조금의 노력을 기울이게 되면 이 글을 읽는 여러분도 상상속에서만 있던 물체를 현실로 만들 수가 있을 것이리라 생각합니다.