지지대(support)에 대한 설명

이번 포스팅에서는 3D 프린터에서 지지대라고 해서 소위 서포트(support)라는 것에 대해서 간략하게나마 설명을 하고자 합니다. 

우선 앞선 포스팅에서 설명한 FDM이나 SLA같은 방식의 3D 프린터는 제일 아랫층 부터 쌓아가면서 조형물을 만들어 가는 방식입니다.

위 그림처럼 피라미드 형태로 디자인된 물체를 출력하고자 하는 것이 가장 이상적입니다. 하지만 이와 반대가 되는 조형물의 경우에는 문제가 발생하게 됩니다.

위 그림과 같이 역 피라미드 형태가 될 경우 아랫층의 레이어(Layer)보다 윗층의 레이어가 더 크게 나오게 됩니다. 물론 이런다고 해서 100% 문제가 생긴다고 할 수 많은 없습니다.

위 그림에서 처럼 만약 아랫층 레이어와 윗층 레이어 간의 각도가 1번처럼 크다면 지지대인 서포트가 없어 출력물이 나올 수도 있지만, 2번처럼 아랫층 레이어 보다 윗층 레이어가 훨씬 더 넓어서 각도가 크게 나올 경우 입니다.

바로 위 그림과 같은 문제를 야기할 수 있습니다. 실제로 컴퓨터 그래픽 상으로 디자인 하기로는 'ㄱ'자 형태로 만들고자 했지만, 실제로 3D 프린터-특히 FDM방식의 경우에는 오른쪽 그림과 같이 필라멘트가 제대로 만들어 지지 않고, 이상한 실타래 처럼 얽혀있는 형태로 나오는 부분이 생깁니다.

이런 현상이 벌어지는 이유는 다음과 같습니다.

위 그림은 FDM방식의 3D 프린터가 조형물을 만들 때, 아랫층 레이어 위에 새로운 레이어가 쌓여서 올라가는 것을 묘사한 그림입니다. 왼쪽에서 처럼, 아랫층 레이어가 없는 허공에 녹았는 필라멘트가 사출될 경우 당연히 허공에 떠 있을 수가 없습니다. 결국 중력의 영향을 받아서 아래로 쳐지게 되고, 이런 과정이 여러번 반복될 경우 실타래가 엉킨 것처럼 보이는 의도하지 않는 모양이 나오게 되는 겁니다.

그래서 해결책으로 지지대인 서포트가 등장하게 되는 겁니다. 위 그림에서는 편의를 위해서 연두색으로 표시를 하였는데, 프린터 헤드에서 가열되어 녹았는 필라멘트가 지지대 위에 떨어지게 됩니다. 이번에는 아무것도 아닌 허공이 아니기 때문에 의도한 모양대로 나올 수 있도록 하는 겁니다.

이 서포트가 있음으로 해서 아래 그림과 같이 극단적인 형태의 구조물도 출력이 가능한 것입니다.

위 그림에 있는 우산의 경우에는 극단적으로 아랫층 레이어에 해당하는 바닥면은 우산의 손잡이 부분만 있으며, 윗층 레이어인 우산 살과 천 부분은 엄청나게 넓습니다.

 이 경우에도 역시나 연두색으로 표시가 된 지지대인 서포터가 생성이 되어서 우산과 같이 극단적인 형태의 구조물도 3D 프린터가 출력할 수 있게 되는 겁니다.

다음은 실제로 3D 프린터에서 어떻게 서포트가 역할을 하며, 어떤 식으로 되는지를 몇 장의 사진을 가지고서 설명을 하겠습니다.

먼저 출력하고자 하는 독수리 상이 디자인 상으로는 다음과 같습니다.

이 독수리 상의 경우에는 우선 양 날개의 끝 부분부터가 허공에 떠 있으며, 이 사진만으로는 알기가 어렵지만 독수리의 부리 부분 역시 아랫층 레이어가 없기 때문에 허공에 떠 있습니다.

이러한 구조물은 FDM방식의 3D 프린터로 출력하려고 하면, 역시 서포트를 지정해서 허공에서도 구조물을 지지할 수 있도록 하는 것 이외에는 선택이 없습니다.

보급형인 제 3D 프린터로 2시간 정도 걸려서 출력한 결과물입니다. 전체적인 형상이 독수리 인것은 알 수가 있으시겠지만 무언가 이상한 것이 붙어 있는데 저게 모두 서포트입니다. 제가 보유한 FDM 방식의 3D 프린터의 경우에는 1개의 필라멘트만 사용할 수 있기 때문에 서포트를 출력물과 같은 재질로 할 수 밖에는 없지만, 대신에 제거가 용이하도록 속이 비었고 그다지 튼튼하지 않은 구조로 만들어 지게 됩니다.

당연 출력물을 완성하기 위해서는 다소 귀찮기는 하지만, 하는 수 없이 서포트에 해당하는 구조물을 조심스럽게 제거하는 후처리 과정을 거쳐야만 합니다.

제거 작업을 끝낸 독수리 상(사진에서 상단)과 제거된 서포트 구조물 (사진에서 하단에 있는 하얀색 더미)입니다. 물론 출력물과 언제나 동일만 재료만 하지 않고, 왁스나 수용성 수지를 이용해서 출력당시에는 지지대의 역할을 하지만, 제거는 물에 씻기만 하면 간단하게 되는 방식도 실제로 있습니다. 

다만 이번 경우에는 제 FDM방식의 3D 프린터가 보급형이고, 한 종류의 필라멘트만 사용이 가능하기에 다소 귀찮더라도 이렇게 많은 양의 서포트를 제거해야만 했습니다.