후가공 Archives - 로켓펀치 공식 블로그

05/11/202201/20/2023

[제조 지식] 대표적인 판금 후가공법 4가지

판금 가공 공정은 얇은 판재 형태의 금속을 구부리거나 잘라서 제품을 만드는 방식을 말합니다. 세부적으로 벤딩, 펀칭, 커팅 등으로 구분되는데요, 해당 공정을 거친 뒤엔 쓰임새와 기타 요인에 따라 후가공 처리를 하게 됩니다. 판금 가공물에 판금 마감재를 덧입히는 가공법 등이 대표적입니다.

후가공은 반드시 해야 하는 것은 아니지만, 제품의 완성도를 높이기 위해 필요한 작업입니다. 예를 들어, 알루미늄 판금 마감재는 내구성 강화와 산화 예방에 특장점을 가졌기 때문에, 판금 가공품에 알루미늄 마감재를 활용하는 공정이 빈번하게 사용될 수밖에 없습니다.

판금 마감에 활용되는 재료와 방식은 매우 다양합니다. 오늘은 판금 가공시 가장 일반적으로 사용되는 후가공 방법 4가지를 알아보겠습니다.

비드 블라스팅

비드 블라스팅(Bead Blasting)은 연마재를 일정한 압력과 균일한 분포로 분사하여, 표면의 이물을 제거하고 광도를 조절하는 작업을 의미합니다. 압축 공기를 사용하여 판금 부품 표면에 수천 개의 작은 연마 입자(유리 또는 모래)를 분사하면, 무광택 질감의 매끄러운 표면이 만들어집니다.

비드 블라스팅은 완성품을 청소하거나 페인트를 제거하는 데에도 유용합니다. 외형, 즉 미관이 중요한 제품의 경우에 비드 블라스팅 공정을 거칩니다. 즉, 비드 블라스팅은 고품질의 표면 처리가 필요한 경우에 사용되는 일반적인 알루미늄 판금 후가공 공정이라고 볼 수 있습니다.

장점

알루미늄, 황동, 스테인레스 스틸, 스틸 등 다양한 재료에 적용 가능한 안전한 방법입니다.
다른 후가공 공정에 비해 지속성이 좋습니다.
환경 친화적입니다.
민감한 표면 처리에 적합합니다.
연마재(모래 또는 유리)는 판금 제품 재료와 반응성이 없어 필요 이상의 변형이 일어나지 않습니다.

단점

아주 빠른 후가공 방식은 아닙니다.
연마재로 실리카를 사용하면 폐 질환 및 암을 유발할 수 있습니다.
소규모 프로젝트에 사용하기엔 비용이 많이 듭니다.
작업자의 안전을 위한 예방 조치에 상당한 노력을 기울여야 합니다.

아노다이징

아노다이징(Anodizing)은 알루미늄 및 티타늄 판금 부품에 사용되는 후가공 기법입니다. 전기화학적 처리를 통해 판금 부품 표면에 부식 방지층을 만드는 기술입니다. 일종의 도금 작업이라고 보아도 무방합니다.

판금 부품을 산성 전해질 욕조에 담그고 전류에 노출시키면, 양극에서 발생하는 산소로 인해서 금속 표면이 산화되며 강한 밀착력을 가진 양극 산화층(산화피막, AL203)으로 변환됩니다. 이것이 아노다이징의 원리입니다. 양극 산화법은 아노다이징의 또 다른 명칭이며, 기계 부품, 항공기 및 자동차 부품, 정밀 기기 등에 적용되는 일반적인 마무리 공정입니다.

장점

내식성과 내마모성이 우수합니다.
색이 바랠 가능성이 없습니다.
쉽게 제거되지 않습니다(일반적인 접촉으로 인해 산화층이 벗겨지는 경우가 거의 없음).
UV(자외선)가 차단됩니다.

단점

적용 가능한 재료의 범위가 제한적입니다.
스테인레스 스틸에는 적용할 수 없습니다.
공정의 일관성을 유지하기가 비교적 어렵습니다.

분체 도장

분체 도장은 Powder Coating, 즉 제품 표면에 분말 형태의 재료를 분사하여 코팅하는 작업을 일컫습니다.

판금 제조 영역에서의 분체 도장은 일반 도장과 약간 다릅니다. 표면에 본드를 바르기 위해 판금을 굽히는 작업이 포함됩니다. 이 과정을 거치면 내식성과 내마모성이 향상되고, 기존의 도장에 비해 더 우수한 표면층을 형성하게 됩니다.

제품의 미관과 브랜드 정체성 등을 고려하여 다양한 색상으로 분체 도장 공정을 진행할 수 있습니다. 광택, 반광택(저광택), 무광, 금속성 등 다양한 옵션이 있으며, 가격은 색, 마감 방식, 부품의 형상 등에 따라 달라집니다.

장점

내식성과 내마모성이 우수합니다.
접착 불량, 퇴색의 위험이 없습니다.
표면에 접합된 코팅은 비교적 오래 지속되고 경제적입니다.
최종 제품은 독성이 없고, 인화성이 낮습니다.
거의 모든 유형의 판금에 사용할 수 있습니다.

단점

분말을 혼합하여 새로운 색상을 만들 수는 없습니다.
상대적으로 비용 부담이 클 수 있습니다.

전기도금

다른 종류의 금속(희생 금속, sacrificial metal)의 미세한 층이 판금 부품의 표면에 증착되는 후공정입니다.

전기 도금 공정은 다음과 같습니다: 희생 금속을 양극 위치에 놓고 판금 부분을 음극 위치에 배치합니다. 두 금속 모두 양극 물질과 유사한 전해질 속에 배치됩니다. 그런 다음 전기 전도 작용이 일어나면, 두 가지 유형의 금속이 화학적으로 결합됩니다.

전기도금 재료에는 여러 가지 옵션이 있으며, 각 옵션은 서로 다른 특성의 조합을 제공합니다. 주석, 니켈 및 무전해 니켈을 사용하여 판금 부품을 전기도금할 수 있습니다. 전기도금으로 판금 제품을 마감하기 위해서는, 설계 단계에서 최종 도금 두께를 고려하여 부품의 허용 오차를 설정해야 합니다.

전기도금은 (희생 금속의 종류에 따라) 전도성을 증가시키고 방사선에 대한 부품의 저항을 증가시킬 수 있으므로 일반적으로 방사선 차폐물을 생산하는 데 사용됩니다.

장점

– 내식성과 내마모성이 우수합니다.

– 전도성을 개선합니다.

– 전기 도금은 마찰 발생을 줄입니다.

단점

– 상대적으로 비용 부담이 클 수 있습니다.

이상으로 판금으로 가공한 제품(부품)에 사용되는 대표적인 후처리 기법 4가지를 살펴보았습니다. 각각의 제품 특성에 맞는 최적의 판금 가공 방식을 찾아 보세요!

제조업체 매칭플랫폼 캐파(CAPA)에서는 국내 최고 수준의 판금 가공업체들을 만날 수 있습니다. 제조 방식에 대한 지식이 부족하거나 도면이 없더라고 걱정하지 마세요. 캐파 파트너스(제조업체)가 초보 고객도 쉽게 원하는 제품을 만들 수 있도록 제품 디자인부터 기구설계, 실제 제품 제작까지 전 과정을 지원해 드립니다. 지금 캐파(CAPA)를 방문해 보세요!

05/11/202201/20/2023

[제조 지식] 없애고, 붙이고···3D 프린팅 후가공의 모든 것

물리적, 화학적 공정 거쳐 출력물 상태 개선

외관은 물론, 강도와 내구성 향상에도 효과

성공적인 후가공 처리 이후의 모습(맨 우측). 표면 마감의 정도를 비교해보세요. 출처 Fabbaloo.

“(후가공이) 끝날 때까지 끝난 게 아니다.”

후가공을 마치기 직전 상태의 제품을 받아본 적이 있다면 아마 공감하실 겁니다. 3D 프린팅으로 제품을 만든 경우에도도 마찬가집니다. 3D 프린팅 후가공(3D Printing Post-Processing)은 출력물의 기능과 미관을 향상시키기 위해 표면의 특성을 다양한 방식으로 변화시키는 작업을 총칭합니다. 이러한 후가공 처리 기술은 크게 세 가지 유형으로 나눌 수 있습니다.

① 재료 제거 (Material Removal)
② 재료 추가 (Material Addition)
③ 물성 변경 (Material Property Change)

원리는 간단합니다. 출력물에서 재료 일부를 제거함으로써 표면을 매끄럽게 만들거나(빼기 작업), 재료 일부를 더함으로써 표면을 매끄럽게 만들 수 있습니다(더하기 작업). 재료를 제거하거나 더하지 않고 재료의 분자 구조를 재분배함으로써 표면을 매끄럽게 할 수도 있죠. 이것이 물성 변경(Material Property Change)에 해당합니다. 물리적 재료의 가감 없이 분자 구조의 재배열을 통해 표면 처리를 하는 공정입니다. 한마디로 출력물의 성질을 바꾸는 것입니다.

3D 프린팅 후가공을 통해 기대할 수 있는 효과는 크게 다음과 같습니다.

① 결함을 보완하여 매끄러운 표면을 만들 수 있습니다.
② 강도와 내구성을 높일 수 있습니다.
③ UV 및 전도성 등 기능을 추가할 수 있습니다.
④ 외관을 아름답게 마무리합니다.

그러면 3D 프린팅 후가공 유형별로 구체적인 후가공 방식들을 하나씩 살펴보겠습니다.

지지대 제거

FDM이나 SLA 방식의 3D 프린팅은 출력 특성상 지지대가 함께 출력됩니다. 후가공을 통해 지지대를 제거해주어야만 원하던 결과물을 얻을 수 있습니다. 지지대가 특별히 접근하기 어려운 곳에 위치하지 않는 한 많은 노력이 필요하지는 않습니다.

불용성 지지대는 일반적으로 손으로 떼어내거나 펜치로 절단합니다. 가용성 지지대의 경우, 물이나 특정한 액체에 담그면 간단히 용해되므로 제거 이후의 흔적이 거의 남지 않는다는 장점이 있습니다. 다만 ‘본체’와 ‘지지대’의 재료를 달리 하기 위해서는 이중 압출이 가능한 3D 프린터가 필요합니다.

손으로 떼어내거나 펜치로 절단한 이후에도 흔적이 남았다고요? 남는 흔적은 샌딩 처리를 통해 해당 부위를 매끄럽게 만들 수 있습니다.

사포질(샌딩)

샌딩 또한 가장 보편적인 3D 프린팅 후가공 방식 중 하나입니다. 인쇄 표면에 의도하지 않은 얼룩(blob)이나 흠집이 남을 수 있습니다. 이때 사포질을 통해 해당 부분을 매끄럽게 만들 수 있습니다.

샌딩 작업시에는 항상 낮은 단위의 모래 사포(150-400방)에서 시작해서 점차적으로 높은 단위의 모래 사포(최대 2,000방)을 사용해야 합니다. 이 때 습식 샌딩과 원형 이동을 기억하세요. 사포와 표면의 마찰로 인해 열이 발생하면 열에 민감한 필라멘트 재료로 출력된 출력물에 부정적인 영향을 줄 수 있습니다. 이를 방지하기 위해서는 샌딩 이전에 출력물을 물에 담가서 과도한 마찰열이 발생하지 않게 하여야 합니다.

또 레이어가 쉽게 보이는 FDM 출력물의 경우 반드시 원형으로 사포질을 해야 합니다. 레이어에 평행하거나 수직으로 사포질을 하게 되면 표면의 결이 망가질 수 있기 때문입니다.

텀블링

텀블링은 여러 부품을 동시에 후가공할 수 있는 자동화된 가공 방식입니다. 3D 프린팅 출력물을 특정 시간 동안 회전하는 통에 넣으면, 연마 매체와 출력물이 부딪치면서 자연스레 출력물의 표면이 균일하게 정리됩니다. 텀블링에 사용되는 기계는 윤활유와 연마 매체가 들어 있는 진동하는 통의 형태입니다. 통 안에 들어가는 연마 매체로는 물체 마모를 위해 사용되는 특수한 돌이 사용됩니다.

텀블링 통(혹은 탱크)은 다양한 크기로 제작되므로 비교적 큰 출력물도 텀블링을 통해 처리할 수 있습니다. 연마 매체가 부품과 지속적으로 접촉하기 때문에 더 큰 출력물이라고 해서 더 긴 처리 시간을 필요로 하지는 않습니다. 다만, 복잡한 표면 구조를 가진 출력물의 경우, 텀블링 가공시 세부 사항의 정확도가 떨어질 수 있습니다.

스무딩

스무딩은 ABS 프린팅 출력물에 널리 사용되는 후처리 기술입니다. 밀폐된 공간에서 ABS를 녹일 수 있는 아세톤의 성질을 이용해 ABS 출력물 표면에 보이는 레이어를 부드럽게 만들 수 있습니다.

즉, 아세톤을 큰 용기(혹은 탱크)에 부은 다음, 아세톤의 수위보다 높게 설치한 플랫폼 위에 출력물을 놓습니다. 아세톤 증기가 부품의 표면을 녹일 수 있도록 10-20분 동안 용기의 뚜껑을 닫아두면 출력물 표면이 매끄러워집니다.

이 같은 과정이 말처럼 쉬운 것은 아닙니다. 무엇보다 아세톤은 가연성이 높아서 폭발하기 쉽기 때문에 환기가 잘 되는 공간에서 작업하고 장갑과 마스크를 착용하는 등의 예방 조치가 필요합니다.

샌드 블라스팅

샌드 블라스팅은 3D 출력물에 고압으로 고압으로 연마재를 분사하는 방식입니다. 자주 사용되는 연마재는 모래지만, 플라스틱 구슬과 같은 작고 거친 물체를 사용해서 다른 효과를 얻을 수도 있습니다. 연마재가 텀블링의 경우보다 작기 때문에 비교적 거친 부품이나 레이어가 높은 출력물에 효과적입니다. 그러나 연마재가 도달하는 표면만을 처리하기 때문에 복잡한 표면을 가진 출력물에는 부적합합니다.

CNC 밀링

대표적인 절삭가공 방식인 CNC 밀링은 적층 방식의 3D 프린팅의 정반대 원리로 작동합니다. 일반적으로 3D 프린팅 출력물 전체 표면을 밀링하는 것은 시간이나 비용 측면에서 효과적이지 않습니다. 하지만 특정 지점을 매끄럽거나 정확하게 다듬어야 하는 경우 CNC 밀링은 좋은 선택지가 될 수 있습니다.

화학 침지

화학 침지는 영어로 ‘Chemical Dipping’이며, 출력물을 표면을 화학 용액에 담가서 일부 부식시키는 방식입니다. 전문 지식이 필요하다는 어려움이 있지만, 수조에 출력물 전체를 담글 수 있기 때문에 복잡한 출력물의 표면을 후가공하기에 유용한 방식입니다.

아세톤 용접

아세톤을 이용해 출력물과 출력물을 이어붙이는 후처리 방식입니다. 보통 ABS를 재료로 하여 큰 부피의 출력물을 프린트하고 싶지만 3D 프린터의 빌드 볼륨(출력 가능한 크기)이 너무 작은 경우에 사용합니다. 아세톤은 ABS를 용해시키는 성질이 있으므로, ‘풀(glue)’과 같은 역할을 할 수 있습니다. ABS 소재 3D 프린팅 출력물에만 적용됩니다.

필링(메우기)

필링(Filling, 메우기)은 두꺼운 접착 화합물(일반적으로 페이스트 형태)을 사용하여 출력물 레이어 사이의 작은 틈을 채우는 표면 처리 방식입니다. 일반적으로 샌딩 처리 이전의 첫 번째 단계로 사용됩니다. 어떤 충전재를 사용해서 필링 작업을 하느냐에 따라 필요한 시간과 장비가 달라집니다.

프라이밍

프라이밍의 주요 기능은 ‘접착 표면 준비’입니다. 다음 레이어를 쌓기 전에 표면을 깨끗하게 정리하는 작업이라고 생각하면 됩니다. 표면에 샌딩 혹은 필링 처리를 하고 나서 프라이밍 가공을 진행해야 그 효과가 극대화됩니다.

프라이머는 주로 스프레이 또는 브러시 형태이며, 스프레이 형태의 프라이머가 보다 균일한 코팅 효과를 냅니다.

프라이밍 작업 이후, 최소 24시간 동안의 건조 시간이 필요합니다.

출력물에 스프레이 페인팅 처리를 하는 모습. (출처=materialise)

스프레이 코팅

가장 간단한 스프레이 코팅 방식은 환기가 가능한 실내 공간이나 실외 공간에서 스프레이 캔을 이용해 재료를 도포하는 것입니다. 출력물의 표면을 샌딩하고 나서 여러 번 스프레이 코팅을 하면 좋은 결과를 얻을 수 있습니다. 스프레이 코팅은 비교적 큰 부품을 처리하기에 적합한 방식입니다.

스프레이 프린트는 미관 개선을 위해 주로 사용되며, 스프레이 바니시는 마모 및 UV 손상으로부터 출력물을 보호하는 역할을 합니다.

금속 도금

금속 도금은 3D 프린팅 출력물에 금속 층이 결합되는 화학 공정입니다. 열, 충격, 날씨 변화 등에 내성이 높은 출력물을 만들거나 전도성 출력물로 변환하는 데 매우 효과적입니다. 또한 시각적으로 외관을 크게 향상시킬 수 있죠.

전기도금은 기본적으로 금속 코팅을 한 금속에서 다른 금속(또는 전도성 표면이 있는 부분)으로 옮기는 작업입니다. 이 공정에 사용되는 가장 일반적인 금속은 구리와 니켈이지만 황동, 금, 은, 크롬 등과 같은 재료를 사용할 수도 있습니다.

접착

앞서 살펴본 아세톤 용접은 훌륭하고 간단한 후가공 방식이지만, ABS 출력물에만 적용된다는 한계가 있습니다.

3D 프린터의 크기는 한정되어 있기 때문에, 보다 큰 규모의 출력물을 완성하고자 한다면 접착으로 출력물들을 결합해야 합니다. PLA 혹은 PETG와 같은 일반 필라멘트를 재료로 한 출력물은 전용 접합제(Glue)를 이용해 붙이면 됩니다. 다만, 아세톤으로 재료를 녹여서 용접하는 방식만큼 접합 부분이 강력하게 결합되지는 않습니다.

용해

3D 프린팅 후가공에서의 용해는 ‘부분적 용해’ 혹은 ‘국부적 용해’를 뜻합니다. 용해는 지지대를 제거하거나 샌딩과 같은 후처리 과정에서 생긴 국부적인 표면 긁힘을 해결하는 데 좋은 가공 방식입니다. 부품에서 10~20cm 떨어진 상태에서 고온의 히팅건을 작동시키면 뜨거운 공기가 나와 표면이 녹게 됩니다.

이 공정은 얕은 표면 흠집에만 효과가 있고, 깊은 흠집에는 적합하지 않습니다. 또한, 출력물이 쉽게 변형될 수 있으므로 가열 시간을 잘 제어해야 합니다.

PLA 3D 프린팅 출력물 어닐링 가공 처리 중의 모습. 출처 EcoReprap.

풀림(어닐링)

풀림이라고 불리는 어닐링(Annealing) 공정은 금속 재료를 적당한 온도로 가열한 다음 서서히 상온(常温)에서 냉각시킴으로써 출력물의 내구성을 높이는 조작법을 뜻합니다.

보통 3D 프린팅 출력물은 비정질(원자, 이온, 분자 따위가 규칙적으로 배열되어 있지 않은 고체 물질. 즉, 액체 상태에서 고체로 굳을 때 어는점이 분명하지 않아서 결정을 이루지 못한 물질) 상태입니다. 쉽게 말해 분자의 조직화 정도가 낮은 상태입니다. 출력물의 분자 조직화 정도를 강하게 만들기 위해서는 출력물을 융점(고체가 액체 상태로 바뀌는 온도) 미만으로 가열한 뒤, 반결정 상태에서 분자를 재배열할 수 있습니다. 물론 적정 가열 온도는 재료에 따라 따르며, 적절한 가열 시간을 설정하기 위해서는 어느 정도의 전문 지식이 필요합니다.

이상으로 3D 프린팅 출력물의 표면을 매끄럽게 하고 기능을 강화시키는 다양한 후가공 공정에 대해 알아보았습니다.

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03/22/202212/14/2022

[제조 지식] 까칠한 3D프린팅 표면, 어떻게 매끄럽게 만들까

기대감을 갖고 3D 프린팅으로 제조한 결과물을 받아 든 순간, 눈에 거슬릴 정도로 줄이 가있는 표면 상태 때문에 실망하신 적 있으신가요?

3D 프린팅은 컴퓨터를 통해 대부분의 작업이 이뤄지기 때문에 딱히 손을 댈 필요가 없다고 생각하기 쉽습니다. 하지만 사람 손을 덜 탄다고 해서 사람의 손길이 필요하지 않은 것은 아닙니다.

두드러진 고스팅 문제(좌)를 설정 변경 등을 통해 어느 정도 해결한 경우(우). 출처 All3DP.

무엇보다 표면의 매끄러움(Smoothness)은 완제품을 돋보이게 하는 중요한 요소입니다. 만약 제품을 재출력할 수 있는 상황이라면 매끄럽지 않은 표면의 원인을 파악하고 이를 수정해야 할 것입니다. 만약 재출력이 어렵거나 재출력만으로 상황이 나아지긴 어렵다 하더라도 크게 걱정할 필요는 없습니다. 후가공 공정을 통해 표면을 매끄럽게 만들 수 있기 때문입니다.

이상의 두 가지 해법 가운데 먼저 오늘은 3D 프린터 결과물의 표면에 나타날 수 있는 문제를 현상에 따라 분류해보고, 3D 프린팅 과정에서의 문제점 및 해결 방법을 알아보려고 합니다. 이번 콘텐츠에 이어 3D 프린팅 결과물의 표면 품질을 개선하기 위한 후가공 공정에 대해서도 다룰 예정입니다. 이 두 가지 방법을 모두 마스터하신다면, 3D 프린팅 출력물의 품질을 눈에 띄게 향상시킬 수 있을 겁니다.

표면이 왜 이럴까??··· 고스팅·링잉·에코잉·리플링이 뭐지?

고스팅(ghosting)은 압출기의 급격한 방향·속도 전환으로 인해 생기는 3D 프린터의 진동(vibration)이 출력물 벽에 결함을 만드는 현상을 의미합니다.

3D 프린팅의 ‘적층 가공(Additive Manufacturing)’ 원리를 생각해보면 이 같은 현상은 어느 정도 불가피해 보입니다. 가장 대중적인 3D 프린팅 방식인 FDM을 예로 들면, 가열된 재료가 노즐을 통해 ‘젤과 비슷한 제형’으로 사출됩니다. 이때 노즐이 장착된 압출기(extruder)가 움직이거나 사출된 결과물이 위치한 베드(hotbed)가 움직이면서 사출물이 한 층씩 쌓여 하나의 출력물이 완성됩니다.

좌측 하단의 파란색 출력물을 보세요. 레이어가 쌓이면서 만들어내는 제품 벽의 독특한 질감(texture)을 확인하실 수 있습니다. 한 층씩 쌓아갈 때마다 레이어가 생겨나는 것을 볼 수 있습니다.

하지만 이러한 레이어의 돌출 정도가 심하게 되면 이는 출력물의 ‘완성도’를 크게 저하시키는 원인이 됩니다. 이른바 ‘고스팅’이 심각한 문제로 부상하는 것이죠. 고스팅 외에도 링잉(ringing), 에코잉(echoing), 리플링(rippling), 웨이브(wave) 같은 용어를 들어보신 분도 계실 겁니다. 각각 이름은 다르지만 큰 틀에서 고스팅과 같은 의미로 이해하면 됩니다.

피하고픈 ‘고스팅’, 원인을 알면 해결 가능

출력물 벽면에 생기는 잔물결, 즉 고스팅을 경험하게 되는 주요 원인으로는 우선 3D 프린터가 빠른 속도로 움직일 때 발생하는 진동(Vibration)을 제대로 처리하지 못하기 때문입니다. 구체적으로 고스팅의 주요 원인은 다음과 같습니다.

º 프린팅의 최대 속도(top speeds)를 넘어섬.

º 가속도 및 저크(acceleration and jerk)를 높게 설정함.

º 베드의 강성(rigidity)이 불충분함.

º 각도 변화(angle changes)가 급격함.

º 빠른 움직임으로 인한 공명 주파수(resonant frequencies) 발생.

위와 같은 원인들의 원리는 다음과 같이 요약할 수 있을 것 같습니다.

3D 프린터를 구성하는 압출기, 금속 부품, 팬 등은 일정한 무게를 갖고 있습니다. 이런 부품들에 속도가 가해지면 빠르게 움직이면서 소위 관성 모멘트(moments of inertia, 물체가 자신의 회전 운동을 유지하려는 정도를 나타내는 물리량)가 발생합니다.

다른 한편으로, 노즐의 움직임이 속도를 줄이거나 방향을 전환하는 과정에서 느슨한 움직임(loose movements)이 나타나기도 합니다. 특히 3D 프린터가 급격히 방향 전환(directional change)을 하는 경우엔 사출물의 골격이 구부러지거나 휘어질 수도 있습니다. 당연히 인쇄 표면에 결함이나 고스팅 현상이 발생할 수 있는 것이죠.

일반적으로 고스팅을 해결하는 방법은 다음과 같이 정리할 수 있습니다.

해결 방법	해결 방법의 원리
인쇄 속도 줄이기	– 가장 손쉽고 안전한 솔루션입니다. 인쇄 속도가 낮다는 것은 ‘관성 모멘트’가 낮다는 것을 뜻합니다. 고속으로 달리는 자동차가 속도를 유지하려는 정도가 서행하는 자동차의 경우보다 당연히 높을 것입니다. – 따라서 3D 프린터의 인쇄 속도가 낮아지게 되면, 관성 모멘트가 낮아짐과 동시에 프린터 본체의 진동(vibration)이 줄어들 수밖에 없습니다.
프레임 및 베드의 강성을 강화하기	– 3D 프린터 본체와 본체를 구성하는 부품들을 하나씩 만져보고 흔들리는지 확인해보세요. – 만약 흔들림이 느껴진다면 3D 프린터 주변에 고무 재질로 된 완충재 등을 집어넣어 프린팅의 충격을 완화해줍니다. – 3D 프린터를 올려두는 테이블이나 카운터, 책상 등에 흔들림이 없는지 확인합니다. – 만약 흔들림이 느껴진다면 3D 프린터 아래에 진동 방지 패드를 놓습니다. – 핫엔드(hot-end)가 캐리지(carriage, XY축을 담당하는 부품)에 단단히 고정되었는지 확인합니다.
프린터 무게 가볍게 하기	– 3D 프린터에서 움직이는 부분의 부품을 가볍게 만들면, 이동시 발생하는 진동이 줄어듭니다. 비슷한 원리로 움직이지 않고 고정되어 있는 부품의 경우엔 무겁게 만들면 흔들림을 일정 부분 해결할 수 있습니다. – 필라멘트가 감겨있는 스풀을 (프린터 본체에 장착하지 않고) 별도의 스풀(spool)에 단단히 고정시킵니다. – 이중 압출기 프린터를 가지고 있는 경우, 사용하지 않는 압출기를 제거하면 이동하는 부품의 무게를 줄일 수 있습니다. – 로드(rod)를 변경하고 고스팅 현상을 테스트해볼 수도 있습니다.
가속 및 저크 설정 조정하기	– 가속 설정(acceleration setting, 프린트 헤드의 속도가 빨리 변하는 정도)을 조절하면 속도가 줄어들어 관성과 진동이 줄어듭니다. – 저크 설정(jerk setting, 프린트 헤드가 다른 방향으로 속도를 내기 전에 감속하는 최소 속도)에서 수치를 낮추면 프린트 헤드가 안정적으로 움직이기 때문에 마찬가지로 관성과 진동을 감소시킬 수 있습니다.
느슨한 벨트 조이기	– 헐거워진 벨트를 조입니다. 벨트가 헐거워지면 프린터 헤드의 움직임 또한 커지게 되므로 정밀도에 영향을 줍니다.
부품에 윤활유 바르기	– 프린터의 베어링 및 기타 부품이 흔들림 없이 작동하는지 확인합니다. 문제가 되는 부품에 윤활유를 발라 움직임을 부드럽게 만들어줍니다.

과압출과 과소압출, 어떻게 해결할까?

3D 프린팅의 정밀도와 품질을 결정하는 가장 중요한 요소 중 하나는 바로 압출 속도(Extrusion Rate)입니다. 결과물이 매끄럽게 보이려면 노즐로부터 딱 필요한 만큼만 재료가 배출되어야 합니다. 과압출(Over Extrusion)은 말그대로 필요 이상의 재료가 배출되는 현상을 가리킵니다. 이와 반대로 과소압출(Under Extrusion)은 재료가 적게 나오는 현상을 뜻합니다.

과소압출(좌) 적당한 압출(가운데), 과압출(우) 사례. 출처 Frank’s 3D shop의 영상 캡처, 하단 동영상 참고.

3D 프린팅의 과압출과 과소압출 문제를 해결하는 방법은 다소 직관적입니다. 몇번의 시행착오 혹은 테스트를 거칠 수는 있겠지만 적정한 압출량을 찾으실 수 있을 겁니다.

해결 방법	해결 방법의 원리
압출 배율(Extrusion Multiplier) 조정하기	– 기본적으로 소프트웨어 상에서 압출 속도를 결정하는 매개변수인 압출 배율(Extrusion Multiplier)을 낮추면 과압출 문제가 해결됩니다.
압출 온도(Extrusion Multiplier) 조정하기	– 압출 배율(Extrusion Multiplier)을 낮추어도 문제가 지속된다면, 압출 온도에 문제가 있을 수 있습니다. 압출 온도가 너무 높으면 재료의 점성이 낮아지게 됩니다. 그릭 요거트가 아닌 마시는 요거트 드링크를 생각해보세요. 이런 경우에도 과압출이 발생할 수 있습니다.
다른 직경을 가진 필라멘트 사용하기	– 직경이 맞지 않는 필라멘트를 사용했을 경우 과소압출이 발생할 수 있습니다. 프린터에 공급되는 필라멘트의 직경이 예상값보다 작으면 적정한 양의 재료가 배출되지 않는 문제가 생기는 것입니다.

‘열 받은’ 재료를 효과적으로 관리하라

노즐에서 압출되는 재료의 온도와 냉각 속도 또한 3D 프린팅 결과물의 품질을 결정하는 중요한 두 가지 요소입니다.

이제 막 노즐을 통과해 나온 재료는 매우 뜨거운 상태이기 때문에 냉각되기 직전까지는 형태가 변형될 가능성이 있습니다. 노즐의 가열 온도가 너무 높은 경우 냉각까지 시간이 오래 걸리게 됩니다.

특히 뜨거운 상태의 플라스틱은 액체처럼 흐르는 경향이 있습니다. 적절한 냉각 과정이 없다면, 경화 시간이 길어지고 그 과정에서 변형이 발생하게 됩니다. 이는 결국 표면이 고르지 않게 되는 결과로 이어집니다.

이와 같은 현상들은 특히 상대적으로 크기가 작은 모델을 프린팅할 때 더욱 두드러집니다. 크기가 작을수록 각각의 층(layer)을 인쇄하는 데 걸리는 시간이 줄어들기 때문입니다. 다르게 말하자면, 아직 경화되지 않은 층(layer) 위에 새로운 층(layer)이 인쇄된다는 뜻입니다. 극단적인 경우 위 사진<출처: simplify3d.>처럼 뭉개지는 현상이 발생할 수도 있는 것이죠.

이와 같은 사례에 대처할 수 있는 방법은 아래와 같습니다.

해결 방법	해결 방법의 원리
인쇄 온도 낮추기	– 소프트웨어에서 인쇄 온도를 조정합니다.
냉각 속도 높이기	– 냉각을 돕는 팬(fan)의 속도를 높입니다.
인쇄 속도 낮추기	– 인쇄 속도를 낮추면, 각 층(layer)이 충분히 경화될 시간을 주게 됩니다.
한 번에 여러 개의 부품 인쇄하기	– 위의 변수를 조정한 뒤에도 문제가 해결되지 않는다면, 가장 좋은 방법은 한 번에 여러 개의 부품을 인쇄하는 겁니다. 한 부품이 인쇄되는 동안 다른 부품이 충분히 냉각될 시간을 벌 수 있습니다.

‘발진’ 혹은 ‘얼룩’이 생겼는데, 어찌 하나요?

3D 프린팅 결과물에 생기는 발진과 얼룩(zits and blobs). 출처 simplify3d.

3D 프린팅의 압출기는 출력 중에 빌드 플랫폼 위를 이동하면서 압출을 지속적으로 중지하고 다시 시작합니다. 특히 압출기를 껐다가 다시 켜는 경우에는 추가 변형이 발생할 수 있습니다.

예를 들어, 3D 프린팅 출력물의 벽을 자세히 살펴보면 압출기가 재료를 배출하기 시작한 위치를 나타내는 표시를 확인할 수 있습니다. 이러한 표시를 일반적으로 표면 발진(zits, 지트) 혹은 표면 얼룩(blobs)이라고 합니다. 압출이 중단되었다가 다시 시작되는 과정에서 부적절한 유속(流速)이 발생해 불규칙적인 구조가 생겨나는 겁니다.

출력물에서 지트 혹은 얼룩이 보이기 시작했다면 가장 먼저 해야할 일은 프린팅 과정을 지켜보는 겁니다. 압출기가 층(layer)을 쌓아나가는 과정을 유심히 살펴보세요. 압출기는 한 층을 쌓고 나면 잠시 정지한 뒤, 다시 작동합니다.

대개의 경우 결함은 ① 압출기가 다음 층(layer) 출력을 시작할 때, 혹은 ② 압출기가 한 층(layer)의 작업을 마치고 잠시 정지할 때 나타납니다.

전자의 경우엔 리트랙션 설정(Retraction Setting)에 변화를 주는 것으로 해결이 가능합니다. 후자의 경우엔 코스팅 설정(Coasting Setting)을 변경하는 것이 해결책이 될 수 있습니다.

먼저 리트랙션(Retraction) 설정은 압출기가 정지할 때마다 재료가 압출기 내부에서 안쪽으로 밀려나는 거리(retraction distance)와 압출기가 재시작할 때마다 프라이밍을 하는 거리(priming distance)를 결정하는 설정 요소입니다. 둘레(perimeter)의 시작 지점에서 결함을 발견했다면 압출기가 재료를 너무 과하게 프라이밍(본격적으로 사출을 시작하기 전에 재료를 분사하는 작업)을 하고 있을 확률이 큽니다. 이때, 리트랙션 거리에 음수 값을 입력하면 프라이밍 거리를 줄일 수 있습니다.

예를 들어 리트랙션을 1.0mm로, 재시작 거리(extra restart distance)를 -0.2.mm(마이너스 표기는 필수입니다)로 설정했다고 하겠습니다. 이 경우 압출기는 멈출 때마다 1.0mm만큼 재료를 뒤로 밀어냅니다. 작동을 재시작할 때는 노즐에 재료를 0.8mm만큼만 다시 밀어넣습니다. 이와 같은 설정을 반복해 나가면서 자신의 프린팅 환경에 가장 적합한 수치를 찾아내면 됩니다.

코스팅(Coasting)은 노즐 내부에 축적되는 압력을 완화하기 위해 둘레 작업이 끝나기 직전에 압출기를 끄는 것을 말합니다. 이 옵션을 활성화하면 경계의 끝부분에서 결함이 생기는 것을 방지할 수 있습니다. 통상적으로 입력값을 0.2-0.5mm 사이 수준에 맞추면 눈에 띄는 결과를 얻을 수 있습니다.

자세한 내용은 아래 표를 참고하세요.

해결 방법	구체적인 실행 방법
리트랙션 설정 조정하기	– [리트랙션 설정]의 하위 설정 메뉴인 [재시작 거리 설정]에 음수 값을 입력한다.
코스팅 설정 조정하기	– [코스팅 설정]을 활성화하고 양수 값을 입력한다. 통상적으로 0.2-0.5mm 사이의 값이면 눈에 띄는 결과를 얻을 수 있다.

지금까지 3D 프린팅 결과물의 표면이 품질을 저하시키는 주요한 현상과 현상의 원인을 알아보고, 그에 대응하는 적절한 해결방법에 대해 알아보았습니다. 도움이 되셨나요?

제품을 재출력할 수 없는 상황이라고 해도 걱정하지 마세요. 다음에는 후가공 공정을 통해 제품 표면을 매끄럽게 만드는 방법에 대해 알아보겠습니다.

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10/11/201801/21/2021

[제조 가이드] 후가공, CMF 디테일의 미학

0.1mm 엠보싱 차이로 완전히 달라보이네요.

지금까지 시제품 제작, 양산 준비를 위한 제작 방법 결정과 BOM을 알려드렸습니다. 이제 드디어 양산 단계네요. 사출 성형을 하고 나면, 후가공이 필요한 경우가 많습니다. 색을 입히기도 하고, 도금을 하기도 합니다. 바로 CMF 분야인데요.

CMF란 ‘색상(color), 소재(material), 마감(finishing)’의 약자입니다. CMF는 점점 더 중요해지고 있는데요. 바로 소비자의 선택에 큰 영향을 미치기 때문입니다.

에이팀벤처스의 온라인 제조 플랫폼, 카파 비교견적이 드리는 제조 팁!
이번 편에서는 CMF에 대해 알려드릴게요.

제품 사양과 기술 수준의 변별력이 점점 줄어들고 있기 때문에, 색상, 소재, 마감과 같은 후가공을 어떻게 하느냐가 중요합니다.

예를 들어, 냉장고를 살 때 어떤 기준으로 선택하시나요?

냉장 기술은 요즘 다 상향평준화 되어 있죠. 흔히 말하는 디자인을 보고 선택하게 되는데요. 제품의 외관, 즉 색깔, 소재, 마감과 같은 후가공을 어떻게 마무리 하느냐에 따라 소비자의 선택이 달라지고 매출이 달라지겠죠.

CMF는 소비자에게 바로 닿는 중요한 영역입니다.

제품을 개발하는 초기 기업이나, 하드웨어 스타트업에서 CMF의 모든 것을 다 알 필요는 없지만, CMF를 처음부터 고려해야 한다는 것만큼은 명심하셔야 합니다.

후가공인데, 처음부터 고려한다?!

색이나 소재, 마감을 왜 처음부터 생각해야 할까요?

마지막 단계에서 변경하면 계획에 없던 실패 비용이 발생하기 때문입니다.

예를 들어 무광으로 물건을 양산했는데, 후가공 단계에서 유광으로 바꾼다고 해봅시다.

원래부터 유광인 소재로 양산했다면 후가공 비용을 줄일 수 있었겠죠. 코팅비가 더 들어가고, 물성도 안 좋아질 것입니다.

또, 디자인 단계에서는 로고를 안 넣기로 했다가 사출을 다 하고 나서 로고를 넣는다고 하면 별도 스티커를 붙여야겠죠.

스티커 붙이는 작업 비용이 발생할 뿐만 아니라 소비자가 보기에도 완성도가 떨어질 것입니다. 금형 자체에 로고를 넣어 사출했다면 전체 일정과 비용이 다 줄어들었을 것입니다.

그리고 물건 표면에 인쇄를 하려면, 지그(jig)가 설계 단계에서부터 고려되어야 합니다.

지그는 양산시 가공 위치를 정하고 안내하는 공구인데요. 쉽게 이야기하면 물건에 회사 로고를 인쇄한다고 할 때, 늘 같은 자리에 로고가 정확히 찍혀야겠죠. 그러려면 인쇄되는 동안 물건이 움직이지 않고 같은 자리에 인쇄되도록 가이드가 있어야 할 것입니다.

아래 영상을 4분 15초부터 보시면 화장품 용기의 원통형 끝부분을 꽉 집어서 마무리하는 걸 볼 수 있는데요.

이 때 인쇄된 앞면과 뒷면이 확실히 반으로 나눠지게 해야 할 것입니다. 일정하게 앞면이 나올 수 있도록 통을 돌려주는 것을 볼 수 있는데요. 이런 것도 양산 전 설계 단계에서부터 고려해야겠죠.

이렇게 소재, 마감의 표현에 따라 조립 구조가 달라질 수도 있고, 사출 방향이나 방식을 다르게 할 수도 있습니다.

최종적으로 보이는 디자인이지만, 설계 전부터 최종 디자인을 고려해야 전체 일정과 비용을 낭비하지 않고 효과적으로 생산할 수 있는 것입니다.

CMF, 최선의 선택을 하려면?

첫 번째는 철저한 조사가 사전에 되어 있어야 합니다.

앞선 모든 단계에서도 반복된 이야기입니다만, 양산은 초기 비용이 크기 때문에 더 그렇습니다. 경쟁 제품 중 잘 만들어진 제품을 깊숙히 들여다보고 연구하는 것도 필요하고, CMF의 트렌드를 살피는 것도 중요합니다.

엘지하우시스에서는 디자인 트렌드를 매년 발표하고 있고, 삼성전자 디자인경영센터에도 CMF랩이 있습니다. KCC 컬러&디자인 블로그에서도 매년 CMF 트렌드를 잘 정리해서 보여줍니다.

두 번째는 디자인과 설계 사이의 합리적 조율이 필요합니다.

양산을 처음 경험하는 초기 기업이나, 하드웨어 스타트업에서는 제품 디자인을 외부에 맡기는 경우도 많습니다.

제품 디자인을 의도대로 완성했다고 하더라도 설계 단계로 가면 많은 게 바뀔 수 있습니다. 외관을 조금만 수정하면 생산 속도나 생산 단가가 낮아질 수도 있는데, 수정이 원활하지 않으면 전체 비용이 불합리하게 증가합니다.

하지만 아이덴티티가 되는 핵심 디자인을 무조건 수정할 수는 없죠. 디자인을 위해 배터리 탈착을 포기했던 아이폰처럼요. 이 제품의 디자인에서 어떤 것을 포기하고, 어떤 것을 끝까지 가져갈 것인지 충분히 고려해서 선택을 해야 합니다.

세 번째는 제품의 확장 로드맵을 고려한 생산입니다.

예를 들어 매년 외관의 색을 바꿔가며 제품을 출시할 경우 원재료를 살리는 디자인이 아니라면 비교적 적은 비용으로 색을 바꿀 수 있는 방법을 찾아야 합니다.

코팅을 하거나 필름을 입히는 것이 원재료 자체를 바꾸는 것보다 비용이 적게 들겠죠.

제품을 구매할 때 소비자에게 가장 매력적인 구매 요소로 다가오는 것은 제품의 외관입니다. 신선하고 다른 컨셉의 발상, 전략적인 시제품의 제작 그리고 양산 과정까지 CMF를 계속해서 고려해야 합니다.

양산 경험이 많지 않은 초기 기업, 하드웨어 스타트업이라면 제품 디자인부터 양산까지 경험을 갖고 있는 인더스트리얼 디자인 전문가의 도움을 받는 것도 좋을 것 같습니다.

이렇듯, 제조하기 위해서는 전문가들과의 소통이 필수입니다.
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