3D 프린트 오류: 일반적인 원인 및 해결 방법

기존 제조 방식과 비교했을 때, 3D 프린팅은 비용 효율성이 높고 사용하기 편리하며, 불필요한 잔여물이나 유해 부산물 발생이 현저히 적습니다. 이러한 장점으로 인해, 우리는 집에서도 시제품 제작과 소규모 생산을 할 수 있게 되었습니다. 하지만 3D 프린팅이 편리하다는 것이 곧 쉽다는 의미는 아닙니다.

벨트 장력 불량, 노즐 조임 토크 오류, 심지어 슬라이서 소프트웨어의 수많은 설정 중 단 하나라도 잘못되면 3D 프린팅 과정에서 심각한 문제가 발생할 수 있습니다. 하지만 걱정하지 마세요. 이 글에서는 3D 프린팅 실패의 가장 흔한 원인과 이러한 문제를 예방하는 방법에 대한 유용한 정보를 제공합니다.

1. 스트링 현상

스트링 현상은 3D 프린트 결과물의 미적인 완성도를 크게 떨어뜨리지만, 모델의 빈 공간을 가로지르는 얇은 플라스틱 선들이 기능성을 저해하기도 합니다. 특히 움직이는 부품이 있는 기능성 출력물의 경우, 과도한 스트링은 간섭을 일으킬 수 있습니다.

스트링 현상의 원인은 무엇일까요?

이 보기 싫은 결함은 3D 프린터가 모델 내의 빈 공간을 이동할 때, 녹은 필라멘트가 노즐에서 새어 나오는 것을 막지 못할 때 발생합니다. 이는 녹은 필라멘트의 점도와 노즐 내부의 압력 등 여러 요인에 의해 영향을 받습니다.

온도가 너무 높으면 필라멘트가 노즐 밖으로 쉽게 흘러나와 스트링 현상이 발생하기 쉽습니다. 반면, 노즐 내부의 압력을 적절히 제어하지 못하면 녹은 플라스틱이 조기에 밀려 나올 수 있습니다. 또한, 필라멘트에 습기가 있는 경우에도 스트링 현상이 나타날 수 있습니다.

더욱이, PETG와 같은 특정 재료는 이러한 문제에 특히 취약한 경향이 있습니다.

스트링 현상 해결 방법: 온도를 낮추세요

노즐 온도가 높을수록 필라멘트가 불필요하게 흘러나올 가능성이 높아집니다. 적절한 노즐 온도를 설정하면 필라멘트의 점도를 최적화하여 3D 프린터가 용융된 필라멘트의 흐름을 더 정밀하게 제어할 수 있습니다. 다행히 이 문제를 해결하는 쉬운 방법이 있습니다.

PrusaSlicer나 SuperSlicer와 같은 최신 슬라이서 소프트웨어에는 온도 타워 테스트 모델이 내장되어 있습니다. 이러한 도구를 사용하여 사용 중인 필라멘트에 적합한 노즐 온도를 찾을 수 있습니다. 온도 타워를 사용하면 모델의 각기 다른 부분을 서로 다른 온도에서 출력할 수 있습니다.

이를 통해 층간 접착 강도를 극대화하면서 스트링을 최소화하는 최적의 지점을 찾을 수 있습니다. 여러 온도에서 테스트 인쇄를 한 후, 각각의 온도가 결과물의 강도에 미치는 영향을 평가하고 스트링을 줄일 수 있는 온도를 결정할 수 있습니다.

수축 설정 조정 방법

이제 노즐 온도 문제를 해결했으니, 프린터가 노즐 압력을 줄일 수 있도록 설정해 봅시다. 노즐 내부의 작은 구멍으로 녹은 필라멘트를 밀어내는 데에는 상당한 압력이 필요합니다. 이 힘이 충분히 줄어들지 않으면 필라멘트는 계속해서 노즐 밖으로 새어 나와 스트링을 형성합니다.

슬라이서 소프트웨어에는 수축 거리라는 설정이 있습니다. 이 설정은 필라멘트를 역방향으로 당겨 노즐 압력을 감소시키는 역할을 합니다. 수축 거리는 밀리미터 단위로 측정되며, 다이렉트 드라이브 압출기의 경우 0.4mm~1.2mm 범위가 일반적입니다. 반면 보우덴 압출기는 2mm에서 7mm 사이의 수축이 필요할 수 있습니다. 사용 중인 압출기 유형에 대해 잘 모르시면, 다이렉트 드라이브와 보우덴 압출기에 대한 설명을 참고하세요.

수축 거리는 필라멘트의 강성 및 탄성에 따라 달라집니다. 수축에 최적화된 교정 모델을 인쇄하는 것이 3D 프린터에 적합한 설정을 찾는 가장 확실한 방법입니다. 온도 타워처럼 대부분의 슬라이서에는 수축 타워 기능이 내장되어 있습니다. 그렇지 않다면 이곳에서 다운로드하여 사용할 수 있습니다. 이를 통해 어떤 수축 거리가 가장 적합한지 알 수 있습니다.

수축 거리 외에도 수축 속도 역시 스트링에 영향을 줍니다. 대부분의 필라멘트에서 25mm/s에서 60mm/s 사이의 속도가 일반적이지만, 다이렉트 드라이브 압출기를 사용하는지 보우덴 압출기를 사용하는지, 그리고 인쇄하는 재료의 강성에 따라서 달라질 수 있습니다. 속도가 너무 낮으면 스트링이 심해지고, 너무 높으면 필라멘트가 압출기 기어에 의해 손상되거나 끊어질 수 있습니다. 따라서, 최적의 설정을 찾기 위해 교정 인쇄를 해보는 것이 좋습니다.

2. 노즐 막힘

노즐 막힘은 필라멘트가 노즐을 통과하지 못하여 인쇄가 불완전하거나 전혀 압출이 되지 않는 현상입니다. 스트링과 달리 노즐 막힘은 항상 인쇄 실패로 이어집니다. 또한, 관련된 변수가 많아 원인을 파악하고 해결하는 것이 쉽지 않습니다.

노즐 막힘의 원인과 예방 방법

3D 프린터 압출기는 구조가 복잡하기 때문에 노즐 막힘을 유발하는 다양한 요소들이 있습니다. 일반적으로, 노즐 막힘의 원인은 기계적인 문제(압출기, 노즐, 히터)부터 필라멘트 선택 및 취급 방식까지 다양합니다. 가장 흔한 원인을 몇 가지 살펴보겠습니다.

필라멘트 품질: 저품질 필라멘트에는 먼지와 이물질이 포함되어 있을 수 있으며, 시간이 지남에 따라 노즐에 축적되어 결국 막힘을 유발할 수 있습니다. 또한, 일부 브랜드의 필라멘트에서는 금속 조각이 발견되기도 합니다. 평균 노즐의 구경은 0.4mm에 불과하므로, 노즐 막힘을 일으키는 데는 많은 시간이 걸리지 않습니다. 따라서 품질이 좋은 유명 브랜드의 필라멘트를 사용하는 것이 좋습니다. 또한, 노즐 막힘 예방을 위해 콜드 풀(cold pull) 방식을 사용하는 것도 도움이 됩니다.

부적절한 노즐 크기: 탄소 섬유나 유리 섬유가 혼합된 엔지니어링 필라멘트는 대부분의 3D 프린터에 기본으로 장착된 0.4mm 노즐을 쉽게 막을 수 있습니다. 따라서 이러한 복합 재료를 사용할 때는 0.6mm와 같이 더 큰 노즐을 사용하는 것이 좋습니다. 이 방법은 목재, 야광, 금속 필라멘트에도 적용됩니다.

이미지 출처: Nachiket Mhatre

과도한 레이어 높이: 레이어 높이를 높이면 더 빨리 출력할 수 있지만, 과도하게 높이면 노즐 막힘이 쉽게 발생할 수 있습니다. 레이어 높이 설정은 노즐 크기의 75%를 초과하지 않아야 합니다. 즉, 0.4mm 노즐의 경우 0.3mm 레이어 높이가 안전하게 사용할 수 있는 최대 높이라는 의미입니다.

레이어 높이를 높여 출력하려면 필라멘트 유량이 매우 커야 하며, 이를 위해서는 노즐 온도를 높여야 합니다. 충분한 열을 공급하지 못하면 압출기가 차가운 필라멘트를 노즐 밖으로 밀어내지 못합니다.

열 크리프(Heat Creep): 반대로, 온도가 너무 높으면 열이 히트 브레이크를 통해 뜨거운 쪽에서 차가운 쪽으로 이동하여 필라멘트가 히트 브레이크의 반대쪽에서 녹게 됩니다. 노즐 막힘은 바로 이러한 상황에서 발생합니다. 핫엔드 팬이 작동하지 않으면, PLA와 같이 녹는점이 낮은 재료를 사용할 때 특별히 높은 온도로 출력할 필요도 없이 노즐이 막힐 수 있습니다.

이 문제는 인쇄 전에 핫엔드 팬이 제대로 작동하는지 확인하여 예방할 수 있습니다. 티타늄 또는 얇은 강철 히트 브레이크를 사용하면 열 크리프를 줄이는 데 도움이 됩니다. 밀폐된 프린터에서 PLA를 출력할 때는 도어를 열어두는 것이 좋습니다. 위의 방법이 모두 효과가 없다면 더 강력한 핫엔드 팬으로 업그레이드해야 할 수도 있습니다.

압출기 마모: 압출기 모터와 기어는 노즐을 통해 필라멘트를 밀어내기 위해 상당한 토크와 그립력을 생성해야 합니다. 특히 고온에서 출력하는 재료를 빠른 속도로 인쇄할 때 이러한 요구가 높습니다. 오래된 압출기의 스테퍼 모터 토크 출력은 시간이 지남에 따라 감소할 수 있으며, 압출기 기어가 마모될 수도 있습니다. 이러한 요소들이 복합적으로 작용하면 압출력이 감소하여 노즐 막힘을 유발할 수 있습니다.

노즐 막힘이 발생하면 3D 프린터 노즐 막힘 제거 가이드를 참고하시면 도움이 될 것입니다.

3. 워핑 현상

워핑은 인쇄 중에 인쇄물의 모서리나 가장자리가 베드에서 들리는 현상입니다. 이 문제는 외관상의 결함처럼 보일 수 있지만, 기능성 출력물의 치수 정확도를 떨어뜨릴 수 있으며, 심각한 경우 전체 출력물이 베드에서 떨어져 인쇄물을 망칠 수도 있습니다.

이미지 제공: CNC 주방/유튜브

워핑의 원인은 무엇일까요?

ABS로 인쇄된 작은 벽을 상상하면 워핑의 원리를 이해하기 쉽습니다. 처음 몇 개의 레이어는 접착력을 높이기 위해 100°C까지 가열된 베드 위에 260°C로 출력됩니다. 인쇄가 진행됨에 따라, 베드 근처의 레이어는 100°C를 유지하지만, 더 높은 레이어의 온도는 그 1/3 정도입니다.

더 차가운 공기와 접촉하는 상부 레이어는 냉각되면서 수축하기 시작하는 반면, 히팅 베드 근처의 더 뜨거운 하부 레이어는 팽창으로 인해 상대적으로 더 커집니다. 이렇게 수축된 상부 레이어로 인해 베드 근처의 뜨거운 레이어가 말리게 되며, 이로 인해 모서리가 베드에서 들리는 현상이 발생합니다.

베드 접착은 워핑을 완화하는 데 도움이 될 수 있지만, 실제로는 출력물의 뜨거운 층과 차가운 층 사이의 온도 차이로 인해 워핑이 발생합니다. 이 때문에 나일론이나 ABS와 같이 높은 온도에서 인쇄되는 재료에서 워핑이 더 두드러지게 나타나는 것입니다.

워핑을 방지하는 방법

앞서 언급한 온도 차이를 해소하는 것이 워핑을 줄이는 가장 좋은 방법입니다. 밀폐된 인쇄 챔버가 있으면 이러한 온도 차이를 줄이는 데 도움이 되며, 특히 ABS를 인쇄할 때 더욱 효과적입니다. 예를 들어, Voron 0 시리즈와 같은 소형 프린터의 경우 챔버 내부의 온도를 70°C까지 높일 수 있습니다.

이 방법은 나일론이나 폴리카보네이트와 같이 더 까다로운 재료에도 적용할 수 있습니다. 챔버 내부 온도를 높일 때 프린터 전자 장치가 과열되지 않도록 챔버 외부로 옮기는 것이 좋습니다. 하지만, 단순한 인클로저만으로는 대형 3D 프린터에서 큰 출력물이나 길쭉한 출력물이 워핑되는 것을 막을 수 없습니다. 이러한 경우에는 인쇄 챔버를 적극적으로 가열하여 온도를 최소 60°C에 가깝게 유지해야 합니다.

이처럼 높은 챔버 온도는 PLA나 PETG와 같이 이 온도에서 부드러워지는 경향이 있는 재료에는 적합하지 않습니다. 이러한 재료는 개방형 3D 프린터에서 인쇄하는 것이 가장 좋으며, 접착력을 높이기 위해 유리 전이 온도(45°C~60°C)로 베드를 가열합니다. 노즐 온도를 낮추면 워핑을 줄이는 데 도움이 될 수 있지만, 인쇄물의 강도가 약해질 수도 있습니다.

경험적으로 크고 평평한 표면에 챙을 추가하거나, 출력물의 날카로운 모서리에 탭을 추가하면 접착력을 높일 수 있습니다. 이렇게 하면 수축하는 재료가 아래쪽 레이어를 휘게 하는 것을 방지할 수 있습니다. 다양한 3D 프린팅 표면과 사용 시기에 대한 가이드를 참고하시면 첫 번째 레이어 접착력을 향상시키는 데 도움이 될 것입니다.

4. 레이어 분리 또는 약한 인쇄

레이어 분리 또는 박리는 출력물의 레이어가 제대로 접착되지 않아 틈이나 균열이 발생하는 현상입니다. 3D 프린터는 기본적으로 로봇 제어 핫멜트 글루건과 같습니다. 그리고 핫멜트 접착제가 효과적인 이유는 뜨겁기 때문입니다.

마찬가지로, 노즐 온도를 낮추어 인쇄하면 워핑은 줄일 수 있지만, 열이 부족하면 레이어 간 접착력이 심각하게 손상될 수 있습니다. 이로 인해 레이어 라인을 따라 쉽게 부러지는 약한 인쇄물이 생성됩니다.

이미지 출처: 칼럼 콜스/유튜브

레이어 접착력을 높이고 약한 인쇄를 방지하는 방법

레이어 라인을 제외한 모든 방향에서 3D 프린트의 강도는 필라멘트 제조사에 의해 결정됩니다. 필라멘트 선택이 3D 프린트 성공에 미치는 영향을 자세히 알아보세요. 그러나 레이어 라인은 사용되는 재료에 관계없이 모든 3D 프린트의 약한 지점입니다. 따라서 레이어 접착력을 높이려면 다음 권장 사항을 따르는 것이 중요합니다.

적절한 온도에서 인쇄하기: 앞서 언급한 온도 타워 테스트를 통해 노즐 온도를 보정하세요. 이러한 테스트 모델은 레이어 접착 강도를 확인하기 위해 각 온도 섹션에서 부러뜨려 볼 수 있도록 설계되었습니다. 이를 통해 인쇄 품질과 레이어 간 강도 사이의 균형점을 찾을 수 있습니다.

과도한 부품 냉각 팬 속도: 부품 냉각 팬 속도를 너무 높게 설정하면 레이어가 너무 빨리 냉각되어 접착력이 저하될 수 있습니다. 부품 냉각 속도가 빠르면 오버행이나 서포트 구조의 품질을 높일 수 있지만, ABS, 나일론, 폴리카보네이트와 같은 재료의 레이어 접착력을 저해할 수 있습니다.

습기를 머금은 필라멘트: 필라멘트에 수분이 있으면 뜨거운 노즐에서 증기가 발생하여 압출된 재료 내에 작은 기포와 공극이 생깁니다. 이로 인해 출력물의 표면 품질이 저하될 뿐만 아니라 인쇄물이 부서지기 쉬워집니다. PLA나 PETG와 같이 초보자가 사용하기 쉬운 소재도 습기에 약하지만, 나일론과 같이 습기를 잘 흡수하는 필라멘트는 출력 전에 필라멘트 건조기에서 충분히 건조시켜야 합니다.

3D 프린팅 종말의 네 기사

성공적인 3D 프린팅을 위해서는 첫 번째 레이어의 접착력을 확보하는 것 이상이 필요합니다. 위에서 언급한 네 가지 일반적인 실패 원인에 대한 해결책을 숙지하고, 프린터와 슬라이서 설정을 조정하면 3D 프린팅 실패 가능성을 크게 줄일 수 있습니다.