3D프린터 익스트루더 업그레이드 - E3D Titan Extruder

Anycubic Delta Kossel 3D 프린터의 익스트루더 뭉치의 업그레이 후기입니다.

원래 사용하던 익스트루더는 Anycubic Kossel 키트의 기본 부품으로 포함된 모델이었습니다. 스탭 모터에 직결된 황동 톱니 기어가 필라멘트를 쓸어내는 방식으로 동작하고 쓸려나간 필라멘트는 비닐호스가 연결된 커넥터 구멍을 통해서 익스트루터 뭉치에서 빠져나가는 구조입니다. 이 익스투루더를 사용함에 있어서 기능이나 프린터 성능적인 부분에서 큰 문제는 없었지만 필라멘트 교체가 너무 불편하다는 단점이 있었습니다.

Anycubic Kossel, 익스트루더 기본 부품

필라멘트가 항상 똑바른 직선의 형태를 유지할 수 있다면 이 익스트루더도 문제가 없었을 겁니다. 하지만 필라멘트는 롤에 말려있기 때문에 살짝 구부러진 모양을 하고 있습니다. 그리고 사용을 하면 할수록 말려있는 지름이 작아져서 더 많이 구부러져 있게 되는데요. 이렇게 말려있는 필라멘트를 익스트루더에 한번 물리려고 하면 필라멘트 나가는 구멍 찾기가 보통일이 아닙니다. 그래서 결국 연결된 비닐튜브 빼고 나사로 연결된 커넥터 분리해서 필라멘트를 먼저 물린 다음에 호스를 다시 조립하는 작업을 반복할 수밖에 없어서 업그레이드된 부품으로 교체하기로 했습니다. 

찾아보니 E3D 타이탄 익스트루더라고 제가 격고 있는 불편함을 해결하고 동시에 성능도 개선한 모델이 있었습니다.  

특장점을 살펴보면요.

뭐 똑같은 얘기를 계속 반복해서 쓴 것 같은데 결론은 3:1 기어비를 적용해서 모터에 부담도 덜고 동시에 더 정확한 압출 컨트롤이 가능하다고 합니다. 그리고 구조상 필라멘트가 한번 삽입되면 마음대로 돌아다니지 않도록 익스트루더를 통과하는 모든 경로를 가이드가 막아주고 있어서 필라멘트를 구멍 찾아서 끼워넣기 위한 고생을 덜 수 있습니다.

다 좋은데 정품 부품은 가격이 문제죠. 그렇지만 중국엔 정말 없는 게 없네요. 알리에 복제품을 팔고 있습니다. 당연히 무료배송이고요.

약 2주에 기다림 끝에 부품을 수령했습니다.

말 그대로 부품만 오기 때문에 조립을 해줘야 합니다. 조립하는 재미는 덤이죠. ^^

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조립은 간단하네요.

1. 프린터기에서 익스트루더 뭉치를 떼어내고 스탭 모터에서 원래 사용하던 마운트만 남기고 나머지 부품들은 분리해줍니다. 그리고 황동 기어를 꼽아줍니다. 위치는 조정해야 하니까 나사는 아직 조이지 않습니다.

2. 아래쪽 프레임을 올려줍니다. 그리고 사진상 좌상단 부분에 나사를 먼저 고정합니다.

3. 황동 기어에 맞물릴 플라스틱으로 된 기어를 넣어줍니다. 먼저 끼워둔 황동 기어를 플라스틱 기어와 높이가 일치하도록 위치를 잡고 무두 볼트 조여서 단단히 고정합니다. 그리고 필라멘트 가이드와 비닐 호스를 연결할 퀵 커넥터를 끼워줍니다.

4. 이제 필라멘트를 눌러줄 스프링과 롤러 부품을 조립합니다.

5. 그 위에 뚜껑 프레임을 덥고 가장 긴 나사 3개를 조립해 주면 조립 끝입니다. 간단하죠?! 

프린터기에 장착하고 필라멘트 호스까지 모두 연결해서 하드웨어 업그레이드는 완료되었습니다. 이제는 필라멘트 교체할 때마다 호스 빼고 하는 수고를 할 필요가 없어졌습니다. 처음에 스프링으로 눌려있는 롤러를 살짝 밀어서 필라멘트 걸어주고 위 사진처럼 밖으로 노출되어 있는 기어를 슬슬 돌려주기만 하면 걸리는 부분 없이 한 번에 필라멘트를 로딩할 수 있습니다.  

익스투르더의 구조를 보면 필라멘트가 지나가는 모든 통로가 빈틈없이 연결되어 있기 때문에 걸리는 부분이 없습니다. 위 첫 번째 그림에서 붉은색 동그라미로 표시된 부분만 공간이 있는데 스프링으로 눌려있는 렛치를 당겨서 걸어주면 쉽게 필라멘트를 집어넣을 수 있습니다. 그리고 필라멘트 가이드 호스가 연결되는 퀵 커넥터 부분도 개선이 기존의 부품과 비교를 하면 구멍이 넓어져서 비닐 호스가 완전히 통과하도록 되어있기 때문에 이 커넥터 안에서 필라멘트가 걸리는 문제도 해결되었습니다. 

이제 하드웨어 작업은 끝났으니 펌웨어를 손봐주어야 합니다. 기존과는 다르게 기어가 들어가 있어서 필라멘트의 압출량이 1/3로 줄어들게 되었습니다. 그래서 거기에 맞게 펌웨어에서 익스트루더 모터 값을 조정해 줍니다.

Titan Marlin Configuration

위 링크의  E3D 홈페이지에 가보시면 자세하게 설정법이 설명되어 있는데요. 그중에서 Step5 부분이 가장 중요합니다.

이 식이 바로 필라멘트 1mm를 압출하기 위해서 익스트루더 모터가 움직여야 할 스탭수를 계산하는 수식이고 스탭수를 계산하기 위해서 총 4가지의 요소를 확인해야 합니다. 제 프린터기에 설치된 스탭 모터는 42HD6021-08이라는 모델이네요.

계산에 필요한 요소들을 하나씩 보겠습니다.

Standard motor steps / rev: 이건 모터가 한 바퀴 도는데 몇 스탭을 움직여야 하는지를 나타내는 숫자입니다. 모터에 보면 Step Angle이라는 표현이 있는데요. 1 스탭 당 회전하는 각도를 나타내는 건데 1.8도 회전한다고 되어있습니다. 그럼 360/1.8=200 해서 1회전에는 200 스탭을 한다는 걸 알 수 있습니다.

Standard micro stepping: 위에서 모터의 스탭당 회전각도가 1.8도라고 했는데 이 1.8도라는 건 미세한 움직임을 표현하기에 충분하지 못합니다. 3D 프린터에서는 0.01mm 혹은 그 이하의 작음 움직임이 필요한데 모터가 1.8도씩 돌아가지고는 문제가 있습니다. 그래서 하드웨어적인 한계를 소프트웨어적으로 극복하는 기술이 바로 이 microstepping이라고 합니다. 저도 이 부분에 대해서 완벽히 이해를 하지는 못했지만 모터의 동작 시퀀스를 소프트웨어에서 임의로 더 작게 나누어서 1 스탭을 1/2, 1/4, 1/8... 스탭으로 쪼개서 모터를 정밀하게 움직이도록 해줍니다. 이 설정은 펌웨어에서 찾아볼 수 있는데요. Marlin 펌웨어의 Configuration.h파일에서 "XYZ_MICROSTEPS"라는 이름을 찾아볼 수 있는데요. 저는 16이라는 숫자가 정의되어 있네요.

Gear ratio, Hobb Diameter: 각각 3, 7.3이라고 홈페이지에 적혀있는데 이건 익스트루터 뭉치의 하드웨어 스펙이고 E3D의 복제품이니 똑같을 거라 보고 그대로 이용하겠습니다.

그럼 결론적으로 다음과 같은 결과를 얻을 수 있습니다. 418이라는 숫자가 나왔는데 이 값을 시작으로 조금씩 조정해 가면서 최적의 값을 찾아내면 됩니다.

M92코드를 이용해서 EEPROM에 저장된 스탭 모터 상수를 수정할 수 있습니다. 익스트루더 모터 상수값을 418로 바꾸려면 "M92 E418" 명령어를 입력해주면 됩니다. 모터 상수값을 수정했으면 필라멘트를 로딩하고 특정 위치를 매직으로 표시합니다. 그리고 인터락 이상의 노즐 온도로 예열을 한 다음 1cm 혹은 5cm 등 일정한 길이만큼 익스트루더를 동작시키고 실제로 움직인 필라멘트 길이를 측정합니다.

이런 식으로 정확한 길이만큼 압출이 되는 상수값을 찾았다면 M500명령어로 EEPROM에 저장하고 마무리하면 됩니다. 저는 418 근처에서 몇 번 테스트해보니 400이 가장 정확한 설정이었습니다.

앞으로 익스트루더를 다시 교체할 일은 없으니 펌웨어도 새로운 익스트루더 값으로 수정해 놓으면 좋겠죠?

펌웨어의 Configuration.h에서 "DEFAULT_AXIS_STEPS_PER_UNIT" 값을 수정합니다.

// variables to calculate steps
#define XYZ_FULL_STEPS_PER_ROTATION 200
#define XYZ_MICROSTEPS 16
#define XYZ_BELT_PITCH 2
#define XYZ_PULLEY_TEETH 20

// delta speeds must be the same on xyz
#define DEFAULT_XYZ_STEPS_PER_UNIT ((XYZ_FULL_STEPS_PER_ROTATION) * (XYZ_MICROSTEPS) / double(XYZ_BELT_PITCH) / double(XYZ_PULLEY_TEETH)) // 80
#define DEFAULT_AXIS_STEPS_PER_UNIT   { DEFAULT_XYZ_STEPS_PER_UNIT, DEFAULT_XYZ_STEPS_PER_UNIT, DEFAULT_XYZ_STEPS_PER_UNIT, 96 }  // default steps per unit for Kossel (GT2, 20 tooth)

제 경우 변경 전에는 96이었고

#define DEFAULT_AXIS_STEPS_PER_UNIT   { 80, 80, 80, 96 }

이제는 아래와 같이 수정되었습니다.

#define DEFAULT_AXIS_STEPS_PER_UNIT   { 80, 80, 80, 400 }

 

지금까지 사용해본 결과 문제가 될 만한 부분은 찾지 못했습니다. 원래 부품보다 모터 운동량이 커져서 모터 소음은 조금 더 커졌지만 크게 신경 쓸 부분은 아닌 것 같고 압출도 슬립 없이 잘 됩니다. 그리고 이제는 필라멘트 교환도 쉬워져서 출력이 끝나면 필라멘트를 바로바로 빼서 보관하고 필요할 때만 물려서 쓰기 때문에 필라멘트 관리에도 이점이 있네요.

이상 E3D 타이탄 익스트루더 설치 후기였습니다.

 

끝!