2015년 3월 15일 일요일

[MWC 2015] 2015년 현재의 3D 프린터와 드론 완벽정리

이번에도 역시 두달만의 새 글입니다. 글을 쓰고 싶은 내용은 많은데, 아무래도 고퀄리티를 지향하다보니 한 글을 새로 시작하기가 쉽지 않네요. 

이번 글도 사실 순수하게 제 블로그에 적는 글은 아닙니다.

저는 이번에 MWC 2015에 참가했습니다. KT에서 영재고 학생들을 선발하여 KT 부스 전시요원 자격으로 MWC 2015에 참가하게 되었습니다. 이에 일환으로 참가한 학생들은 각자 분야를 나누어 MWC에 저시된 최신 기술들을 조사하고 이에 대한 글을 올레 스마트블로그KT 블로그에 작성했습니다. 저 역시 마찬가지구요.


[그렇다고 합니다...]


저는 제가 이전에 진행한 프로젝트가 있다 보니, 3D 프린터와 드론에 대한 조사를 맡게 되었습니다. 그런데 처음부터 다짜고짜 MWC에서 처음 발표된 신기술들을 다루면 이 분야를 처음 접하는 분들께서 이해에 어려움을 겪을 수 있으니 가기 전에 사전 조사 글을 작성했습니다.

하지만, 나름 쉽게 풀어 쓴다고 쓴 이 사전 조사 글도 3D 프린터를 정말 처음 접하는 분들께는 어려워서 많은 부분을 잘라내고, ~, ^^, !! 를 추가하고 올레 스마트블로그에 올라가게 되었습니다. 

일이 이렇게 되다 보니 제가 원래 적은 글이 아깝게 되어서, KT의 허가를 받고 원 글을 제 블로그에 올리게 되었습니다.

자화자찬이긴 하지만 이 글만으로도 3D 프린터, 드론에 대해 어느 정도 잘 알 수 있으니 재미있게 읽어주세요!

//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////



안녕하세요, 한국과학영재학교 kt 전시요원 조정민입니다. 
저는 MWC 2015에서 3D프린터와 드론에 대해 취재할 계획입니다.

3D 프린터는 현재 세계적으로 정말 많은 관심을 받고 있는데요, 그럼에도 불구하고 3D 프린터가 워낙 생소한 기술이다 보니 아직 잘 모르시는 분들이 많습니다. 그래서, 제 취재를 100% 즐길 수 있도록 MWC 2015가 시작하기 전에 3D 프린터에 대해 알아보고자 합니다.
(보다 효과적인 내용 전달을 위해 xyzist.com의 그래픽을 사용합니다. 모든 그래픽은 xyzist.com의 동의 하에 사용되었습니다.)



대부분 이미 아시는 사실이지만, 2D는 평면, 3D는 입체를 의미합니다. 

일반적인 잉크젯/레이저 프린터들은 컴퓨터 속에 들어있는 디지털화된 문서나 그림과 같은 평면 정보를 종이 위에 출력합니다. 그렇다면 3D 프린터는 무엇일까요? 3D 프린터는 디지털화된 3D(입체) 정보를 실제로 출력하는 도구를 말합니다.

이전에 디지털 3D 정보를 실제로 제작하는 도구가 없었던 것은 아닙니다. CNC(Computerized Numerical Control) 라우터라는 도구는 컴퓨터상의 설계 정보대로 나무, 플라스틱, 전자회로, 금속 등을 깎아냅니다. 




아이폰, 맥북 등 애플의 알루미늄 유니바디 제품들이 한 덩어리의 알루미눔을 CNC 라우터로 깎아 만든 것으로 유명하죠.

https://www.youtube.com/watch?v=RInwNDZgF84

넓게 보자면 CNC 라우터 역시도 3D 프린터지만, 최근에는 원료를 쌓아서 출력하는 3D 출력장치만을 3D 프린터라고 부릅니다. 이전에는 쌓아서 출력하는 도구를 RP(Rapid Prototyper)라고 불렀지만 RP가 대중화되면서 보다 친근하고 알기 쉬운 3D 프린터라는 이름으로 불리게 된 것이죠.




CNC 라우터 자체에 대한 설명이나 3D 프린터와의 비교도 아주 재미있는 주제지만, 오늘의 주인공은 3D 프린터이므로 3D 프린터에 집중하도록 합시다.


3D 프린터는 1984년, 미국의 발명가 척 헐(Charles W. Hull)에 의해 최초로 발명되었습니다. 최초의 3D 프린터는 레이저를 이용해 광경화성 수지를 경화시키는 SLA 방식인데요, 3D 프린팅 방식에 대해서는 아래에서 좀 더 자세하게 알아보도록 합니다.)
3D 프린터를 발명한 그는 3D systems를 설립하게 됩니다. 3D systems는 현재 건실하게 성장해 Stratasys와 함께 고성능 3D 프린터 시장을 양분하고 있습니다.

[최초의 3D 프린터. 출처]

위에서도 언급한 Stratasys는 녹인 플라스틱을 노즐을 통해 짜내는 FDM 방식을 개발하였고, 이 외에도 독일의 EOS, 이스라엘의 Objet, MIT에서 시작한 Z Corp 등 독자적인 기술을 개발한 회사들이 여럿 탄생했습니다. 현재는 Objet은 Stratasys에, Z Corp는 3D Systems에 인수된 상태입니다.

3D 프린터는 (당시에는 RP였죠.)는 컴퓨터 속 3D 설계를 빠르고 정밀하게 실제로 제작해볼 수 있었기 때문에 많은 기업과 연구실에서 사용되었습니다. 특히, 금형을 제작한 뒤 사출 성형을 하기 전에 프로토타입을 3D 프린터로 제작해 테스트하면 개발 비용과 시간을 크게 절감할 수 있었죠. 지금도 기업이나 대학 연구실에서는 3D 프린터를 쉽게 찾아볼 수 있습니다. 하지만 최소 수천만원을 호가하는 가격과 수백만원의 원료비는 일반인의 3D 프린터 사용을 어렵게 만들었습니다.

그러던 중, 영국 Bath 대학의 아드리안 보이어(Adrian Bowyer) 교수는 3D 프린팅의 영향력을 실감하고, 이에 대한 연구를 진행합니다. 그는 3D 프린터로 부품을 출력 가능하고 저렴한 자가복제형 FDM 방식 3D 프린터를 개발하기 시작했습니다. 그리고 FDM 방식의 특허가 해제된 2007년에 자신의 연구 내용을 오픈소스로 공개하는데, 이것이 바로 RepRap 프로젝트입니다.


RepRap은 Replicated Rapid Prototyper의 줄임말입니다. 이름이 의미하듯 자가복제가 가능한 3D 프린터를 의미합니다. 최대한 많은 부품을 3D 프린터로 출력 가능하고, 나머지 부품들도 주변에서 쉽게 조달할 수 있는 프린터를 지향한 것이죠. 이 프로젝트의 최종 목적은 3D 프린터를 가진 사람들이 3D 프린터 부품을 다른 사람들에게 출력해줘 연쇄 반응이 일어나듯 3D 프린터가 늘어나는 것입니다. 또한, 모든 설계와 소프트웨어를 오픈소스로 공개하여 다른 사람들의 자발적인 참여로 3D 프린터가 진화하도록 했고, 이를 염원하며 3D 프린터들의 이름을 Darwin, Mendel, Huxley 등 영국의 진화생물학자 이름을 붙였습니다.


[RepRap 프로젝트의 두 번째 모델, Darwin]



저 역시도 2013년 여름에 RepRap의 3D 프린터 중 하나인 Prusa Mendel i2를 제작했고, 부품을 출력하여 판매하기도 했습니다. 3D 프린터 제작에 관심있으신 분들은 제 블로그(http://wakalics.blogspot.kr)에 방문하시면 3D 프린터 제작을 위한 재료 구입, 제작기, 3D 프린터의 작동원리 분석 등에 대한 자세한 글을 보실 수 있습니다.


[직접 만든 3D 프린터]

RepRap 프로젝트는 성공적으로 진행되었습니다. 위키 페이지인 reprap.org 에 접속하면 3D 프린터에 대한 많은 정보와 설계, 제작 방법을 볼 수 있습니다. 3D 프린터의 구조도 여러 가지가 개발되었고, 제어 소프트웨어도 많은 발전이 이루어졌습니다. 

RepRap 프로젝트의 가장 큰 의의는 개인용 3D 프린터를 대중화시켰다는 것입니다. RepRap 프로젝트를 통해 3D 프린터의 가격이 크게 내려가고, 공개된 설계와 소프트웨어를 통해 개인이나 기업들의 3D 프린터에 대한 진입장벽이 크게 낮아졌습니다. 현재 시장에 공개된 개인용 3D 프린터의 90% 이상은 RepRap 기반의 설계를 사용하고, RepRap에서 파생된 펌웨어를 사용하고, RepRap에서 파생된 소프트웨어를 사용합니다.

RepRap에서 파생된 개인용 3D 프린터 업체 중 가장 유명한 것은 Makerbot과 Ultimaker입니다. 사실 RepRap 프린터들은 저렴한 가격을 목표로 하다 보니 그 모양새가 기괴한 경우가 많습니다. 어떻게 봐도 제품처럼 보이지는 않죠. 하지만 Makerbot과 Ultimaker는 레이저 커터로 가공한 나무 골격의 상자형 3D 프린터 조립 키트를 선보였고, 이들은 선풍적인 인기를 끌게 됩니다.







[Makerbot의 최초 모델인 Cupcake CNC(사진은 Thing-O-Matic이지만 거의 동일)와 Ultimaker의 최초 모델인 Ultimaker]

하지만 이후 두 기업의 행보는 사뭇 다릅니다. makerbot은 오픈소스로 시작했지만 점점 설계를 공개하지 않게 되고, 결국 Makerbot Replicator 2 에 이르러서는 완전한 클로즈드 소스로 전향합니다. 하지만, 훌륭한 사용성과 플랫폼, 그리고 3D 모델링 공유 사이트인 Thingiverse에 힘입어 개인용 3D 프린터 시장을 점령합니다. 그리고 결국 2013년에 Stratasys에 인수되죠.
최근에는 오픈소스를 존중하지 않고, 심지어 Thingiverse에 업로드된 유저들의 설계를 자신의 이름으로 특허 출원하는 등의 문제로 많은 초기 유저들로부터 비난을 받고 있습니다.

반면, Ultimaker는 아직까지도 모든 설계와 소프트웨어를 오픈소스로 공개하고 있습니다. 제품의 품질도 훌륭하고, 계속해서 그 성능이 상향되고 있어 호평을 받고 있습니다. 대부분의 개인용 3D 프린터들이 사용하고 있는 Marlin 펌웨어와 Cura도 Ultimaker에서 개발하여 공개한 소프트웨어입니다.



Makerbot의 테마 색은 검정색과 빨강색이고, Ultimaker의 테마 색은 흰색과 하늘색입니다. 이들은 영화 시리즈 ‘스타워즈’의 제국군과 저항군의 테마 색깔과 일치합니다. 신기하게도, 두 기업의 행보도 ‘스타워즈’ 속 제국군과 저항군의 행보를 닮아있습니다. 그렇다 보니 해외 RepRap 커뮤니티에서는 농담삼아 이 두 기업을 제국군과 저항군에 비교하곤 합니다.

전통 강호 기업인 3D Systems는 영국의 RepRap 기반 3D 프린터 기업인 Bits Form Bites를 인수하여 개인용 3D 프린터인 Cube 시리즈를 제작했고, 3D 프린팅 플랫폼인 Cubify와 연동하여 독자적인 3D 프린팅 생태계를 구축하는 중입니다. 이에 대적하는 Stratasys는 앞서 말했듯 Makerbot을 인수하여 Makerbot 브랜드로 생태계를 구축하고 있습니다.

이미 오래 된 뉴스지만, 마이크로소프트도 윈도 8.1부터 3D 프린팅을 지원하고, HP에서는 새로운 방식의 3D 프린터를 공개했습니다.

국내 기업인 오픈크리에이터스는 RepRap의 Mendel기반의 3D 프린터를 워크샵 방식으로 판매하기 시작했고, 이를 통해 기술력, 폭넓은 유저 층, 국내 3D 프린팅 커뮤니티를 양성했습니다. 차기작인 ALMOND는 세계 3대 디자인 상 중 하나인 레드닷 어워드를 수상할 정도로 수려한 디자인과 강력한 성능, 편리한 사용성을 바탕으로 국내 시장을 점령하다시피 하고 있습니다.


지난 1월에 라스베가스에서 개최된 CES 2015 에서는 새로운 방식의 3D 프린터들이 공개되었습니다. 특히, 이들은 독특한 능력으로 주목을 받았습니다.

MarkForged는 출력 시 녹은 플라스틱과 함께 유리섬유, 탄소섬유를 삽입하여 튼튼한 출력물을 제작하는 기술을 선보였습니다. 기존의 3D 프린터 출력물들은 강도가 낮아 실제 사용하기에는 무리가 있었는데, 이 기술을 사용하면 정밀하고 가벼우며 강한 부품을 빠르게 만들어 바로 사용할 수 있습니다.



[MarkForged의 3D 프린터 Mark One. 사진출처]




[Mark One의 고강도 출력물. 사진출처]


Voxel 8은 플라스틱을 출력하는 노즐과 함께 은 재질의 전도성 물질을 출력하는 노즐을 장착한 프린터를 제작했습니다. 이 프린터는 전용 소프트웨어와 함께 사용하면 3D 출력물 내부에 전선을 내장할 수 있습니다. 이 기술을 이용한다면 회로 없이 골격구조와 전자 부품만으로도 작동하는 물건을 제작할 수 있습니다. 실제로 CES에서는 이 기술을 이용하여 회로가 골격에 내장된 드론의 비행을 선보이기도 했습니다.



[Voxel8의 3D 프린터. 사진출처]



[회로를 내장한 부품을 출력하는 모습. 사진출처]


이와 같이 3D 프린팅 기술을 아직도 계속해서 발전중입니다. 그렇기에 더더욱 이번 MWC 2015에서의 3D 프린터 조사가 기대됩니다.


아까부터 계속해서 FDM, SLA와 같은 단어들이 등장했는데요, 지금부터는 그 방식들에 대해 알아보도록 하겠습니다.

FDM/FFF
FDM 방식은 녹은 플라스틱을 노즐을 통해 짜 내어 출력하는 방식입니다. 쉽게 생각하자면 바닥에 글루건을 한층 한층 발라가며 모양을 만드는 것과 같습니다. 보다 자세한 설명은 그림과 함께 보도록 하겠습니다.



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 출력합니다.

A: 기계 장치들에 의해 출력 헤드(노즐)와 베드(밑판)가 X, Y, Z축을 따라 움직입니다.
B: 뾰족한 톱니바퀴로 가늘고 긴 플라스틱 원료를 노즐에 밀어넣습니다.
C: 베드는 출력 기반이 되는 밑판입니다. 원료가 잘 붙을 수 있도록 여러 가지 처리를 합니다. 
D: 3D 프린터는 쌓아서 만드는 방식입니다. 그렇기 때문에 공중에 떠 있는 구조물은 만들 수 없습니다. 이를 해결하기 위해 ‘서포트’라는 구조를 출력하고 그 위에 공중에 뜬 부분을 출력합니다.
출력이 완료한 이후에 서포트를 제거하면 공중에 떠 있는 부분도 출력할 수 있습니다.
E: FDM 방식 프린터의 원료는 가늘고 긴 실 모양의 플라스틱인 ‘필라멘트’를 사용합니다.

SLA
SLA 방식은 빛을 쬐면 굳는 광경화성 수지를 레이저를 이용하여 굳히면서 출력하는 방식입니다. FDM 방식에 비해 정밀한 출력이 가능하지만 광경화성 수지만을 사용할 수 있어 원료 선택의 폭이 좁고, 내구성이 약합니다.




1. 레이저를 조사합니다.
2. 다이내믹 미러가 X,Y 축으로 움직이며 전달받은 레이저 빔을 수조에 정확히 전달합니다.
3. 수조 안에 있던 광경화 수지가 레이저 빔에 의해 굳어집니다.
4. 수조 안에 있는 조형판은 한 층씩 수지가 굳어질 때마다 정해진 층의 두께만큼 내려갑니다.

A: 레이저는 주로 자외선 반도체 레이저를 사용합니다.
B: 두 개의 거울이 레이저를 각각 X, Y방향으로 반사합니다. 두 거울의 각도가 변화하며 레이저가 조사되는 방향을 조절합니다.
C: 인쇄에 필요한 광경화성 수지를 담는 수조입니다.
D: 광경화성 수지는 빛을 쬐면 굳어지는 성질을 가진 플라스틱입니다. 평소에는 걸쭉한 액체이지만, 빛을 쬐면 고체가 됩니다. 투명도, 색깔에 따라 여러 종류가 있습니다.

SLS
SLS방식은 가루 원료를 레이저를 이용해 녹였다 다시 굳혀 출력하는 방식입니다. 플라스틱, 금속 등 원료 선택의 폭이 매우 높고 출력물의 내구성이 높다는 장점이 있지만 장비의 크기가 크고 고가이며 출력 후 주변의 가루를 털어내는 후처리 작업이 필요합니다.




1. 레이저를 조사합니다.
2. 다이내믹 미러가 X,Y 축으로 움직이며 전달받은 레이저 빔을 조형 분말함(Build platform)에 정확히 전달합니다.
3. 조형 분말함 안에 있던 원료 분말이 레이저 빔에 의해 소결됩니다.
4. 보충 분말함이 정해진 층의 두께만큼 상승합니다.
5. 보충 분말함 밖에서 대기하고 있던 레벨링 롤러가 여분의 원료 분말을 조형 분말함으로 밀어 보충해줍니다.
6. 조형 분말함은 정해진 층의 두께만큼 내려갑니다.

A: 원료를 녹이기 위한 레이저입니다. 원료를 녹일 수 있을 정도의 고출력 레이저를 사용합니다.
B: 두 개의 거울이 레이저를 각각 X, Y방향으로 반사합니다. 두 거울의 각도가 변화하며 레이저가 조사되는 방향을 조절합니다.
C: 가루에 레이저를 조사하면 그 부분의 가루들이 녹고, 레이저가 지나간 후 다시 굳어 결합합니다.
D: 한 층이 올라갈 때 마다 이 롤러가 지나가며 균일하게 가루 층을 쌓습니다.
E: 아직 사용되지 않은 가루를 담는 보충 분말함입니다.
F: 출력이 징행되는 조형 분말함입니다.
G: 원료는 가루 형태의 열로 녹일 수 있는 물질로 이루어져 있습니다. 플라스틱, 알루미늄, 티타늄, 모래, 심지어 초콜릿도 출력이 가능합니다.


LOM
레이저가 칼을 이용해 종이를 자르고, 그 종이를 한 층씩 접착해 출력하는 방식입니다. 원료비가 매우 저렴하고, 출력과 함께 색상을 칠할 수 도 있습니다.




이 외에도 정말 많은  3D 프린팅 기술들이 있고, 여기서 설명한 기술들도 구현 방식에 따라 다시 여러 가지로 나눌 수 있습니다. 이렇게 3D 프린터는 그 사용 목적에 따라 많은 선택권이 있습니다.

3D 프린터가 워낙 복잡하다 보니 정말 간단하게 알아보았는데도 내용이 정말 많습니다. 하지만, 3D 프린터에 대한 정보는 이것보다 훨씬 방대합니다. 3D 프린터에 대해서 정말 자세하게 알고 싶은 분들은 아래 링크를 참고하시면 보다 깊이 있는 정보를 얻는 데에 도움이 될 것입니다.

reprap.org : 앞서 말씀드린 오픈 소스 3D 프린터 프로젝트인 RepRap의 위키 페이지입니다. 3D 프린터의 종류, 구조, 3D 프린터를 만드는 데에 사용되는 부품들, 그리고 각 부품의 재질별 특징까지 정말 자세한 정보를 얻을 수 있습니다.
xyzist.com : 3D 프린터에 대한 고품질의 정보를 한국어로 얻을 수 있습니다. 정리가 잘 되어 있어 쉬우면서도 자세하게 3D 프린터에 대해 알 수 있습니다.


저는 이번 MWC 2015에서 3D 프린터 뿐 아니라 드론의 취재도 맡고 있습니다. 드론에 대해서도 정말 많은 관심이 집중되고 있는데, 드론은 3D 프린터에 비해 그 개념이 모호해서 좀 더 간단하게 다루도록 하겠습니다.

드론, 영어로 Drone은 과연 무엇일까요? 많은 남성분들은 ‘드론’이라고 하면 이것을 생각하실 것 같습니다.




하지만 MWC에서 저그의 일꾼 유닛을 전시할 일은 없으니, 이건 아니겠죠.
지식의 보고인 영문 위키피디아에 검색해 보았습니다.




드론은 수컷 벌을 의미한다고 합니다. 그럼, 수컷 벌에 대해 알아봅시다.
인간은 XY 염색체를 가지고 있으면 수컷이 되지만, 벌은 성염색체를 하나 가지고 있으면 수컷이 됩니다.

물론 장난입니다. 우리 모두 이 드론이 아니라는 것을 알고 있죠.
위키피디아에도 나온 것처럼, 드론은 무인 비행체나 멀티콥터를 의미합니다.

처음 드론이라는 이름이 붙은 비행체는 미군의 무인기인 MQ-1 프레데터입니다. 그러다 점차 무인기 전체를 드론이라고 부르게 되었고, 무인기 실험에 많이 사용되던 멀티콥터들도 드론이라고 불리게 되었습니다.



[미국의 무인 정찰기 MQ-1 프레데터. 출처]




[DJI의 간판 모델인 팬텀2. 출처]

여기서 멀티콥터란 여러 개의 프로펠러를 가진 헬리콥터를 말합니다. 한 개의 큰 메인로터를 가진 헬리콥터는 로터의 날개 각도를 변화시키는 방식으로 비행 방향을 조절합니다. 이를 위해 커다란 모터와 각도를 조절하는 정교한 링크 구조가 필요합니다. 이에 반하여 멀티콥터는 여러 개의 프로펠러를 가지고 있고, 이 프로펠러들의 회전 속도를 조절하는 방식으로 방향을 조절합니다.  그렇기에 어려 개의 작은 모터만으로도 제어가 가능하죠.





[멀티콥터의 비행 방식. 출처]

대신, 이들 모터를 제어하기 위한 복잡한 전자 장비가 필요합니다. 특히 현재의 자세를 파악하기 위한 고성능 자이로, 가속도계가 필수적입니다.
최근 전자 기술의 발달로 고성능 전자 부품의 가격이 저렴해지고, 특히 반도체를 가공하여 기계 구조를 제작하는 MEMS 기술의 발달과 상용화 덕분에 초소형 고정밀 자이로를 저렴하게 구할 수 있게 되었습니다. 이런 현상에 힘입어 멀티콥터의 강점이 빛을 발하게 되었습니다.



[MEMS 기술로 만들어진 자이로 센서. 출처]

멀티콥터의 가격이 저렴해지고 이들이 대중화됨에 따라, 드론의 용도도 아주 다양해졌습니다.
전통적으로 방송 업계에서는 멀티콥터를 항공 촬영에 이용해 왔습니다. ‘1박 2일’이나 ‘꽃보다 할배’와 같은 예능 프로그램에서도 이들을 사용하여 화제가 되기도 하였죠.



[항공 촬영에 사용되는 드론. 출처]

또한, 드론의 무인 기능을 이용하여 농사를 짓는 데에 사용하기도 합니다.



[농사에 사용되는 드론. 출처]

드론 제작과 비행을 취미생활로 하는 사람들도 늘어났습니다. 이들은 장애물 코스를 만든 뒤 드론을 이용하여 경주하거나 정해진 규격의 링 안에서 드론 싸움을 하기도 합니다.



드론이 대중적으로 유명해지게 된 데에는 아마존의 공헌이 큽니다. 2013년 12월 아마존에서는 드론을 이용하여 고속 배송 서비스를 운영하겠다고 발표했습니다. 그리고 지금도 계속해서 이를 위한 연구 개발을 진행중입니다. 이는 드론을 상업적 이용에 본격적으로 이용한 사례로 굉장히 많은 관심을 보았습니다. 아마존이 법적 문제로 헤메이는 사이에 중국의 알리바바는 드론 배달 서비스를 시작하려 하고 있습니다.



[아마존의 드론 배달 서비스. 출처]

하지만 드론의 미래가 마냥 밝기만 한 것은 아닙니다. 미국에서는 드론의 인간에 의한 조종만을 허용하고 있고, 비행 범위를 제한하고 있어 아마존의 배달 서비스와 같은 본격적인 활용은 어려운 상황입니다. 얼마 전에는 미국 백악관 상공을 날다 추락한 드론이 발견되었고, 영국에서도 정체 불명의 드론들이 발견되어 문제가 되고 있습니다. 그러고 보니 한국에서도 무인기가 문제가 된 상황이 있었죠. 

이런 문제 상황 속에서도 드론은 많은 기대를 받고 있습니다. 지난 1월의 CES 2015는 드론 소개의 장이었다고 봐도 무방할 정도입니다. 중국의 DJI와 프랑스의 패럿, 그리고 수많은 중소 업체들이 자신들만의 새로운 드론을 선보이고 있습니다.




[DJI의 최신형 모델 인스파이어 1. 출처]

지난 CES에서 많은 드론이 선보이고 화제가 된 만큼, 이번 MWC에서도 새로운 드론 기술에 대한 기대가 큽니다. 드론은 그 자체만으로도 통신 기술과 뗄 수 없는 관게이니만큼 MWC 2015의 중요한 등장인물이 될 것이라고 조심스레 예측해 봅니다.

3D 프린터와 드론은 둘 다 많은 기대가 되고 있고, 미래에 직접적으로 큰 영향을 미칠 기술들입니다. 그 만큼 많은 관심이 집중되고 있죠. 다른 기술 박람회에서도 3D 프린터와 드론은 항상 집중의 대상이었습니다. 그 만큼 이번 MWC 2015에서도 많은 3D 프린터와 드론을 볼 수 있을 것이고, 기대가 많이 됩니다.
이 글을 읽는 여러분도 저의 조사를 기대해 주세요!

지금까지 긴 글 읽어주셔서 감사합니다.

한국과학영재학교 kt 전시요원 조정민이었습니다!


2015년 1월 6일 화요일

FDM(FFF)방식 3D 프린터의 종류별 핫엔드(노즐) 구조 분석

머릿말

FDM 방식의 3D 프린터에서 가장 중요한 부품은 핫엔드(노즐과 가열장치, 관 등을 모두 포함하는 3D 프린터의 구성부품)입니다. 핫엔드의 설계에 따라 3D 프린터의 출력물 퀄리티가 크게 좌우되죠.
하지만, 쉽게 생각한다면 핫엔드 자체는 정말 간단한 부품입니다. 금속 관의 한쪽 끝을 좁게 만들고, 뜨겁게 가열하기만 하면 기본적인 기능은 할 수 있으니 말이죠. 어떻게 이런 간단한 부품이 이렇게 큰 영향을 미치는 것일까요? 그리고, 이렇게 간단하다면 왜 지금 사용되고 있는 핫엔드들은 이렇게 복잡한 구조를 가지고 있는 것일까요?

그 이유는 바로 필라멘트의 팽창과 액화현상 때문입니다. 이를 잘 표현한 이미지를 보시죠.

출처: recreus.com

가열된 핫엔드에 열가소성 수지로 이루어진 필라멘트를 밀어넣으면 필라멘트가 가열되어 팽창하게 됩니다. 이렇게 팽창한 필라멘트는 핫엔드의 내벽과 마찰하게 됩니다.
필라멘트가 더 팽창해 마찰력이 커지고 마찰이 일어나는 영역이 넓어지게 되면 필라멘트를 핫엔드로 밀어넣는데에 많은 힘이 들게 되고, 그 만큼 필라멘트의 압출을 세밀하게 조절하기 어렵습니다. 이렇게 되면 출력물의 출력 품질이 낮아지고, 심각하면 노즐이 막히기도 합니다.

그 다음 문제는 필라멘트가 액화된 이후입니다. 핫엔드의 끝까지 들어간 필라멘트는 액화됩니다. 고체 필라멘트는 익스트루더에서 밀어넣는만큼 움직이지만, 액화된 플라스틱은 압력에 의해 움직입니다. 압력이 높아지면 노즐로 나오고, 압력이 낮으면 나오지 않는 방식이죠. 녹은 플라스틱은 어느 정도 압축성이 있기 때문에 녹은 플라스틱이 많으면 많을수록 플라스틱을 노즐로 내보내기 위해 익스트루더에서 필라멘트를 밀어줘야 하는 길이가 늘어납니다. 이 역시 플라스틱의 반응 속도를 낮추게 됩니다.

그러면 플라스틱의 반응속도를 높이려면 어떻게 해야 할까요? 마찰이 일어나는 영역을 줄이고, 플라스틱이 액체 상태로 존재하는 영역도 줄여야겠죠.

이를 달성하려면 핫엔드에서 뜨거운 온도를 유지하는 부분의 길이를 최소화해야 합니다. 핫엔드의 윗부분은 냉각시키고, 노즐의 구멍으로 나오기 직전 영역만 고온으로 유지하는 것입니다. 이것이 바로 핫엔드 설계시의 주된 과제입니다.

이제부터는 노즐의 종류별로 어떻게 이 과제를 달성했는지 알아보겠습니다. 노즐의 종류별로 단순화한 단면도를 보며 설명을 진행하겠습니다.

본론


설명에 사용될 기본적인 노즐의 구조입니다.


Nozzle은 한 쪽은 필라멘트 직경과 같은 내경의 구멍, 반대쪽은 압출 직경과 같은 내경이 뚫려있어 녹은 플라스틱의 압출이 일어나는 부품입니다.

Heat Block은 히터와 서미스터가 장착되어 노즐을 가열하고 온도를 측정하는 부품입니다.

Barrel은 익스트루더와 노즐을 연결하는 관입니다. 이 글에서는 회색은 스테인레스 스틸, 흰색은 PTFE(테플론), 베이지색은 PEEK를 의미합니다.

이 기본 노즐은 사용할 수 없는 노즐입니다. 마찰이 일어나는 영역이 너무나 길어 제대로 압출이 일어나지 않고 막히는 구조입니다.

reprap 커뮤니티에서는 처음에 이와 같은 기본 노즐을 제작했고, 곧 이 노즐의 문제점을 알아냈습니다. 이 문제를 해결하기 위해 PTFE 소재의 Barrel이 도입되었습니다.

1. PTFE Barrel Hotend

[PTFE를 Barrel로 사용한 노즐의 구조(중간의 Barrel은 스테인레스 스틸 소재)]


[reprap 프로젝트의 첫 번째 프린터인 Darwin에 사용된 핫엔드. 출처]


PTFE는 상표명인 테플론으로 더 유명한 플라스틱의 한 종류입니다. 우리 주변에서는 프라이팬 코팅에 많이 사용되죠. 이 용도에서부터 알 수 있듯, PTFE는 녹는점이 높고(이론적으로는 600K, 즉 섭씨 327도에서 녹지만 단단하게 유지되는 온도는 약 섭씨 300도까지) 열전도율이 낮으며 마찰계수가 낮은 특성을 가지고 있습니다.
이는 핫엔드에 사용하기에는 최적의 특성입니다. 녹는점이 높은데 열전도율이 낮아 Barrel으로 사용하면 뜨거운 부분이 노즐과 Heat Block만으로 한정되고, 마찰계수도 낮아서 필라멘트 팽창이 일어나도 마찰력을 최소화할 수 있습니다.

하지만, PTFE에는 중대한 결함이 있습니다. PTFE는 플라스틱중에서도 매우 무른 편입니다. 높은 온도에서는 더 물러집니다. 일반적으로 노즐을 Barrel에 고정할때는 노즐과 Barrel에 암수 나사산을 파서 나사를 조이듯 고정하는데, PTFE Barrel은 필라멘트를 넣으면 그 압력을 견뎌내지 못하고 나사산이 뭉개져버립니다. 이를 막기 위해 고온에서도 단단한 플라스틱인 PEEK를 핫엔드 앞에 부착하고 이를 고정해 핫엔드를 보강하기도 했죠.

사진출처: reprapWiki
출처: reprapWiki              reprapWiki


이런 핫엔드들이 등장한 이후에는 결국 Barrel 자체를 PEEK로 제작하게 됩니다.
저는 PEEK를 처음 도입한 곳이 메이커봇인 것으로 알고있는데, 확실하지는 않습니다.

2. PEEK Barrel Hotend


[PEEK를 Barrel로 사용한 노즐의 구조(중간의 Barrel은 스테인레스 스틸 소재)]

이 핫엔드는 나사산이 뭉개져 노즐이 튀어나오는 문제는 해결되었지만, 여전히 문제가 존재했습니다. PEEK는 마찰계수가 높아 필라멘트와 PEEK Barrel 마찰력에 의해 막히는 현상이 발생한 것입니다. 비록 열전도율이 낮은 PEEK로 Barrel을 제작해 필라멘트가 팽창하는 영역이 줄어든긴 했지만, 200도가 넘는 노즐, Heat Block과 직접 접하는 하단부의 온도는 여전히 높아 팽창이 일어났기 때문입니다.

이 현상을 해결하기 위해 Barrel 내부에 마찰계수가 낮은 PTFE 튜브를 넣은 노즐이 등장했습니다.

3. PEEK Barrel with PTFE Tube Hotend

[PEEK를 Barrel로 사용하고 내부에 PTFE 튜브를 넣은 노즐의 구조]

이 방식의 핫엔드는 고온이 유지되는 영역의 길이가 최소화되고, 내벽의 마찰계수도 낮으며 내구성도 좋습니다. 그렇다 보니, 최근에는 풀메탈 핫엔드에 많이 밀리긴 했지만 2013년~2014년 초에 가장 인기있었던 방식의 핫엔드입니다. 최근에도 정말 많은 핫엔드들이 이 방식을 택하고 있습니다.

이 방식의 핫엔드들 중 유명한 것들은 J Head Nozzle, MakerGear Hotend 등이 있습니다. 국내 제조사인 Opencreators, Formers Farm등도 모두 이 방식을 사용하고 있습니다.

[MakerGear M2 Hotend.  출처]

[J Head Nozzle Mk V-BV.  출처]

[J Head Mk IV클론 구조(J Head Mk IV와 매우 흡사함) 출처]

J Head Nozzle은 제가 정말 좋아하는 노즐인데요, 지금까지 1년 반동안 사용했지만 막힌 적이 한 번도 없었습니다. 많은 사람이 사용하며 여러 버전을 거쳐 개발되었다 보니 성능이 매우 준수합니다. 
J Head Nozzle은 노즐 교환을 포기하는 대신 액체 플라스틱의 누출을 최소화하기 위해 노즐과 Heat Block을 일체화한 구조입니다. 핫엔드에서 고온이 유지되는 영역을 최소화하기 위해 PEEK Barrel에도 방열용 패턴이 파여있고, 녹은 플라스틱에 의해 PTFE 튜브가 밀려나오는것을 막기 위해 구멍뚫린 무두볼트로 PTFE 튜브를 위에서 눌러줍니다. 이외에는 제가 그린 PEEK Barrel with PTFE Tube Hotend와 동일한 구조입니다.


[Printrbot의 Ubis Hotend.  출처]

[OC의 ALMOND 익스트루더 및 핫엔드.  출처]

 PEEK Barrel with PTFE Tube Hotend는 장점이 정말 많지만, 단점도 있습니다. Barrel 소재로 플라스틱인 PEEK를 쓰다 보니 240~260도 이상의 온도에서는 출력이 불가능합니다. 이 이상의 온도에서는 PEEK가 급격하게 물러져 필라멘트를 밀어넣으면 나사산이 뭉개지기 때문입니다. 이 때문에 폴리카보네이트 등 300도 정도의 고온에서 출력해야 하는 소재는 출력할 수 없습니다. 
이 외에도 여러번 가열을 반복하면 PEEK Barrel이 점점 낡아져 결국 교체해야 하는 단점이 있지만 최근 출시되는 노즐에서는 큰 문제가 되지 않습니다.
고온에서 플라스틱에 접촉한다는 점 때문에 그릇이나 컵과 같이 음식물에 접촉하는 것을 출력하는 것은 피해야 한다는 단점도 있습니다.

이들 문제를 해결하기 위해 Full Metal Hotend가 개발되었습니다.


4. Full Metal Hotend

[Full Metal Hotend의 구조]

Full Metal Hotend는 스테인레스 스틸과 같이 열전도율이 비교적 낮은 금속으로 Barrel을 제작하고 윗부분에 열을 발산하는 히트싱크를 장착해 고온이 유지되는 부분을 최소화하는 구조입니다. 방열을 보다 효과적으로 하기 위해 히트싱크에 쿨링팬을 장착하는 경우가 많습니다. PLA처럼 점착성이 크고 낮은 온도에서 녹는 원료를 출력하려면 쿨링팬이 필수입니다.

Full Metal Hotend가 가능해진데에는 Heat Break의 공헌이 큽니다. 열전도율은 소재의 단면적에 비례합니다. 이에 착안하여 Barrel의 두께를 매우 얇게 만든 것이 Heat Break입니다.

[E3D v6와 Arcol.hu v4.1.1 의 Heat Break. 출처: E3D, Arcol.hu]


[Heat Break을 장착한 Full Metal Hotend의 구조]

이전에는 히트싱크가 있어도 많은 열이 금속 Barrel을 통해 노즐 상부로 전도되어 고온 영역이 넓었지만, Heat Break의 도입과 함께 이 문제가 해결되면서 많은 풀 메탈 핫엔드들이 개발되었습니다. 

[E3D v6 핫엔드   출처]

[E3D v6 핫엔드 단면도   출처]

[Arcol.hu v4.1.1 핫엔드   출처]

[Prusa Nozzle   사진출처, 관련정보]

[킥스타터에서 펀딩에 성공한 Pico Hotend  출처]

Full Metal Hotend들은 종류와 구조가 다양합니다. Pico의 경우에는 Heat Break를 사용하지 않고도 좋은 성능을 발휘합니다. Prusa Nozzle은 식기 제작에 사용되는 스테인레스 스틸을 사용하여 식기류 제작이 가능하다고 합니다.

 Full Metal Hotend들은 반영구적이고 300도 이상의 고온으로도 출력이 가능합니다. 하지만 고온 영역을 최소화하는 능력은 PEEK를 사용한 핫엔드에 비해서는 불안정해서 원료에 따라 핫엔드가 막히기도 하고 쿨링팬이 없을 경우 PLA는 사용이 불가능합니다. 또한, Heat Break을 사용한 핫엔드의 경우 조작의 문제로 노즐을 베드에 강하게 부딫힐 경우 얇고 약한 Heat Break가 휘어져 사용 불가능해지기도 합니다.

그럼에도 불구하고 반영구적인 사용이나 고온 출력이 가능하다는 점, 그리고 점차 성능이 개선되고 있는 점에 힘입어 최근 가장 인기있는 핫엔드 구조입니다.

5. MK7 Type Hotend


[MK7 Type Hotend의 구조]

마지막으로 설명할 구조는 메이커봇 리플리케이터 2가 채용하고 있는 MK7 Stepstruder의 핫엔드 구조입니다. 이름은 제가 임의로 붙였습니다.

이 방식은 짧은 금속 Barrel을 사용하며, 이를 알루미눔 재질의 마운트와 히트싱크에 연결하고 히트싱크를 냉각해 고온이 유지되는 부분을 최소화하는 방식입니다. 많은 중국산 완성품 3D 프린터들이 이 방식을 사용하고 있습니다. 

[MK7 Stepstruder  출처]

이 방식 역시도 Heat Break를 사용하기도 합니다.


MK7 Type Hotend는 익스트루더용 모터와 노즐 사이의 거리를 최소화할 수 있고, 가열되는 부분에 플라스틱 부품을 사용하지 않아 완성품 프린터에 주로 사용됩니다. 하지만 다른 방식에 비해 노즐이 잘 막히고 불안정하다는 단점이 있습니다.


맺음말

여러가지 핫엔드 구조가 있지만, 현재는 PEEK Barrel with PTFE Tube Hotend와 Full Metal Hotend가 시장을 거의 양분하고 있는 상태입니다. 이 글에서 언급한 구조 외에도 다른 구조가 많고, 구조 외에도 핫엔드의 종류를 나누는 방식은 많습니다. 예를 들어, 핫엔드의 가열 방식에 따라 나눌 수 있습니다. 
하지만, 핫엔드의 구조가 핫엔드의 특성에 가장 큰 영향을 미치고, 무엇보다도 핫엔드의 원리를 파악하는데 도움이 많이 됩니다. 이 글의 목표 중 하나가 핫엔드의 원리를 설명하는 것이기에 이 글에서는 여러 종류의 핫엔드 구조들에 대해 다루었습니다.

최근 3D 프린터가 계속해서 유명해지면서 그 만큼 잘못된 정보도 많이 돌아다니고 있습니다. 이런 시기일수록 기본으로 돌아가서 오픈소스 정신을 잊지 않고, 프린터의 작동 원리를 탐구해 더 나은 프린터를 제작해야 합니다. 이런 생각으로 글을 작성했는데, 그 의미가 있으면 좋겠습니다.

긴 글 읽어주셔서 감사합니다.




*글은 작성일(2015년 1월 6일) 기준으로 작성되었습니다.
*질문이나 잘못된 애용, 오타 제보 환영합니다!
*사진이나 글을 사용할 경우 출처(wakalics.blogspot.com)을 포함해주세요.
*제 이메일은 wakalics@gmail.com입니다. 이메일을 통한 질문이나 제보도 환영합니다.