최근에 광경화 플라스틱 수지를 이용한 DLP형 3D 프린터를 장만했습니다.
Kudo3D사에서 판매하는 Titan-1이라는 3D 프린터입니다. 조정작업에 신경이 많이쓰이고 변수가 많은 프린터이지만, 조정만 잘하면 훌륭한 품질의 모델을 제작할 수 있는 프린터입니다.
좀 사용하다 보니 이 프린터에서 심각한 문제가 발견되었습니다. 사실 따지고 보면 비단 이 프린터만의 문제가 아니라, 광경화 수지를 이용하는 거의 모든 취미가용 3D 프린터가 갖고 있는 두통 거리라고 할 수 있습니다.
1. 광경화 수지를 이용한 3D 프린터의 구조.
이 방식을 3D 프린터는 아래 그림에서 Building Area라는 곳에 광경화 수지가 담겨져 있고, 그 투명용기 아래에 자외선을 조사할 수 있는 DLP 프로젝터, 또는 자외선 레이저를 가지고 있어서, 필요한 영역을 비춰 수지를 굳게 합니다. 그렇게 굳어진 모델을 Build Base 에 붙여서 조금씩 끌어올리는 방식으로 모델을 완성해 합니다.
[ 이미지 출처: http://www.geek.com ]
2. VAT
아래 움직이는 이미지를 보면, 대표적으로 광경화 수지를 이용해 모델을 제작하는 모습을 보여줍니다.
[ 이미지 출처: http://www.3dmon.co.kr/ ]
저 이미지에서 광경화 수지를 담고 있는 아래의 투명한 용기를 VAT라고 부릅니다.
3. VAT의 구조적 딜레마
그런데, 이 VAT는 몇가지 딜레마가 있습니다.
이 딜레마는 VAT에서 경화된 플라스틱을 분리해내는 것이 근본적인 문제가 됩니다.
보통 Build Platform 이라는 것이 경화된 모델을 위로 끌어올리고, VAT의 바닥과 완성된 모델의 미세한 틈에 들어온 액체 수지를 굳히는데, 이 과정에서 윗쪽으로는 이미 완성된 모델에 달라붙고, 동시에 VAT의 바닥에도 달라 붙게 됩니다.
한마디로 광경화 과정에 윗쪽으로도 아랫쪽으로도 모두 달라붙는데, 이 상태로 Build Platform을 위로 잡아당기면 사실 어느 쪽이 먼저 떨어질지 장담할 수 없게 됩니다. 그래서 VAT의 바닥이 좀더 쉽게 떨어지게끔 하는 것이 이 3D 프린터의 관건이 되겠습니다.
현재 취미가용 3D 프린터의 경우, 이 문제를 해결하기 위해 여러가지 방법이 사용되고 있습니다.
3.1 실리콘 처리 VAT
투명 아크릴로 된 바닥에 신축성있는 실리콘을 도포하여 좀더 용이하게 경화된 플라스틱이 떨어지게 합니다. 그리고 좀더 용이하게 분리하게 하기 위해 위에서 보이는 이미지 처럼 VAT의 한쪽에 기계장치를 이용해 기울여 떼어내는 작업을 합니다. 이것 역시 너무 빠르게 실행하면 잘못하면, Build Platform에 붙은 모델이 떨어지는 불상사가 있기 때문에, 천천히 진행합니다.
이 과정의 문제점은 각 층층을 프린팅 할 때마다 이 작업을 해주게 되는데, 이 부분이 시간이 꽤 많이 차지하게 됩니다.
더 큰 문제는 이 실리콘이 시간이 갈 수록 점점 탁해지게 되어 프린트 품질에 영향을 끼친다는 것입니다. 이유는 실리콘에 접해있는 광경화 수지가 자외선과 반응하여 굳어지면서 실리콘도 화학반응에 영향을 받아 흐려지는 현상입니다.
광경화 수지를 이용한 3D 프린터의 초창기 모델들이 주로 사용하였는데, 당시엔 그나마 좀 나았던 것은 주로 출력이 낮은 레이저로 경화작업을 하다보니, 이 흐려짐 현상이 쉽게 발생하지는 않았습니다. 그러나, 이 것도 역시 “천천히” 발생한다는 것이지, 전혀 문제가 없는 것은 아니라는 것입니다.
3.2 실리콘 + FEP 처리 VAT
이 실리콘 처리 VAT의 경우 저출력 자외선 레이저의 경우 좀 문제가 덜 했지만, 최근 DLP 프로젝터를 광원으로 사용하는 3D 프린터의 경우, 광원의 출력이 강해서, 화학반응이 더 강해져, 이 흐려짐 현상이 더 빨리 발생했습니다.
그래서, 광경화 수지가 직접 실리콘에 닿아 광반응이 영향을 끼치지 않게 하는 방법을 모색했고, 그래서, 선택한 방법이 실로콘 표면위에 투명 FEP 필름을 부착하는 것이었습니다. 그래서 일단 흐려짐 현상은 해결했지만, 이로 인해 다른 문제가 발생하게 됩니다.
광경화 수지가 경화되면서 조금씩 수축을 하는데, 이게 FEP 필름이 실리콘 면에서 이탈하는 원인이 발생하고, 이로 인해, 필름면과 실리콘 사이로 액체 수지가 스며들어가 어느 순간에 출력 중인 모델을 망쳐버리게 된다는 것입니다.
3.3 Flex VAT
이 방법은 비교적 근래에 시도된 것으로 복잡한 기계장치나 실리콘 같은 것은 필요없이 VAT 바닥에 달랑 FEP 필름 하나만 놓는 방법입니다. 비교적 신축성이 있고, 아주 질기고 강력한데, 단순히 Build Platform을 끌어올리기만 해도, FEP 필름이 약간씩 늘어나면서 용이하게 필름을 제거할 수 있게 되는 것입니다.
그러나 이것도 역시 문제가 있는데, 이는 신축성 있는 필름이라는 것이 그다지 단단한 구조물이 아니기에 여기에 광경화 수지를 담게 되면 정도는 있지만, 수지의 무게에 의해 약간씩 밑으로 처지는 일이 발생합니다.
그래서, 이 방법의 문제를 해결하기 위해, 가능한한 충분한 인장력으로 쳐짐을 방지하는 방법을 사용합니다.