Dyze Design - Tungsten Carbide Nozzle 리뷰

Dyze Design에서 기다리고 기다리던 Tungsten Carbide 0.4mm Nozzle을 공식 판매함에 따라, 지난 1월 28일 곧바로 주문을했습니다.   원래 예정대로라면 2월 8일날 택배가 도착해야 헸지만, 캐나다에 폭설이 내리면서, 지연되어 지난 금요일 우체국 택배를 통해 도착했습니다. 

이번 포스트에서는 캐나다 3D 프린터 관련 기업인 Dyze Design의 Tungsten Carbide Nozzle에 대해 알아보도록 하겠습니다. 

Best Nozzle !!
FFF 방식의 3D 프린터애서 가장 이상적인 노즐이 갖춰야 할 덕목은 뭘까?
우선 경도(hardness)로 어떤 재질의 필라멘트를 사용하더라도 노즐 팁이 손상되지 않아야 하고, 녹은 필라멘트가 노즐의 내/외에 달라붙어 압출특성을 저해시키거나 출력물에 영향을 주면 안되며, 열 전도율이 우수하여 비교적 낮은 온도에서 출력에 문제가 없거나 동일한 온도에서 더 빠른 출력이 가능해야 하고, 끝으로 orifice 즉 노즐 홀의 규격이 정밀해야 합니다.  재질로만 본 다면 다이아몬드가 가장 이상적입니다. 하지만 만드는 이도 없고, 살 사람도 업습니다. ^^

가장 흔히 사용하는 Brass(황동) 노즐은 가공성이 뛰어나고, 열 전도율이 우수하지만, 경도 즉 재질이 매우 무른편에 속합니다. 따라서, 마모성(abrasive) 필라멘트를 사용하게 되면 노즐 팁이 매우 쉽게 손상이 됩니다. 또한 필라멘트가 노즐 표면에 잘 달라붙어 관리가 어려운 점도 단점입니다. 하지만 가성비가 워낙 뛰어나기 때문에 FFF방식의 3D프린터 노즐로 가장 많이 사용됩니다. 가성비를 따져 본다면 마모성 필라멘트를 사용하지 않고, 유지관리에 큰 불편함이 없다면 Brass 노즐 이 외의 대안을 검토할 필요는 전혀 없습니다. 

PLA, ABS, PETG, PC, NYLON 등의 필라멘트를 사용한다면 Brass 노즐로 충분이 오랫동안 사용할 수 있지만, 마모성 소재 즉, Carbon Fiber(카본), Wood, Metal, Glow in the dark(형광) 물질들이 포함된 필라멘트를 사용하게 되면, 노즐 팁이 쉽게 망가지게 됩니다. 이들 소재를 선호하는 이유는 특별히 후가공이 필요 없을 만큼 독특한 질감을 보여주기 때문입니다. 물론 Brass Nozzle에서 abrasive filament를 전혀 사용할 수 없는 것은 아닙니다. 단지, 이들 필라멘트를 사용할 경우 출력을 하고 나면, 대부분 새 노즐로 교체를 해야 합니다. 그 만큼 무른 소재입니다. 

왼쪽) 손상된 팁, 오른쪽) 새 것

가격이 비교적 저렴하기 때문에 그냥 출력하고 교체해도 경제적인 측면에서는 아쉬운 점이 없겠지만.. 문제는 노즐 교체가 꽤나 귀찮은 작업이라는데 있습니다.  노즐 자체를 교체하는 것은 나사를 풀고 새 나사를 채우는 것 만큼 간단하고 쉬운 작업이지만, 노즐을 교체하고 나면, Z Offset을 다시 보정해야 하고, PID 튜닝을 다시 해야 하며, Bed Leveling도 다시 해 줘야 합니다. 작업 중에 Thermistor나 Heat Block, Throat, Heat Pipe등이 망가지거나 단선될 수도 있죠.. 암튼 간단한 문제는 아닙니다.  그래서, 3D 프린터를 사용하는 유저들은 설치를 한 번 하고 나면 오랫동안 마모되지 않고 다양한 필라멘트를 사용할 수 있는 노즐에 대한 일종의 로망이 있습니다.  

이러한 사용자들의 요구에 그 동안 Brass 노즐을 대치할 만한 대안들이 많이 시도 되었고 지금도 계속되고 있습니다. 우선 재질 자체를 황동 대신 다른 소재로 사용하는 것으로 Stainless, Titanium, Harden Steel, Tungsten alloy(합금), Vanadium(바나듐), Ruby 등의 재질을 사용하여 만든 노즐들이 있는데, 경도는 매우 높아 마모성 필라멘트에 적절히 대응할 수 있지만, 열 전도율(Thermal Conductivity)이 낮아 Brass 노즐과 동일한 출력조건에서 층간 결합력이 떨어저 출력물이 갈라지거나, 점도가 충분히 활성화 되지 못한 상태로 압출되어 출력물이 작은 힘에도 잘 부스러지는 등 출력품질 문제를 발생시킬 수 있는 문제들을 갖고 있습니다.

좌측부터 Olsson Ruby Nozzle, E3D Nozzle X , MiddleWest Tungsten 노즐, SliceEngineering Vanadium 노즐, Dyze Design Tungsten Carbide 노즐

이런 단점을 극복하기 위해 열 전도율이 좋은 황동 노즐에 매우 얇은 코딩을 해서 마모성 픨라멘트에 대응한 노즐들도 있습니다. Microswiss의 TwinClab XT 코팅, E3D의 Nikel based Copper 코팅, Performance 3-d의 Duraplat3-d 코팅 노즐 등등이 있습니다. 코팅이 매우 얇기 때문에 위에 언급한 노즐들 보다 긴 수명을 담보하기는 어렵기 때문에, 어떤 노즐을 선택할지는 가성비를 따져봐야 합니다. 

Tungsten Carbide Nozzle
Tungsten alloy(텅스턴 합금)은 경도가 매우 높은 소재 입니다. 하지만, 순수 텅스텐 만으로는 노즐을 제작하지 않고, 가공성을 좋게 하기 위해 철, 니켈 등을 혼합한 합금으로 만든 후, 절삭가공을 통해 만들게 되는데, 경도는 매우 높지만, 역시나 열 전도율이 Brass Nozzle 보다 떨어지는 단점이 있습니다. 반면 Tungsten Carbide(탄화 텅스텐)는 Tungsten alloy와는 달이 경도가 더 높은 것은 물론 열 전도율이 황동노즐과 거의 동일하거나 약간 더 높은 장점을 갖고 있습니다.  하지만, 소재가 기본적으로 분말(powder) 형태이기 때문에, 절삭가공을 통해 만들 수 없고, sintering(소결) 즉, 분말을 1000도 이상의 높은 열과 고압으로 압축 성형하여 만들기 때문에 특히, 매우 작은 노줄 Hole을 정밀하게 만드는 것이 매우 어렵습니다. 그래서, 소재 자체의 특성이 매우 우수함에도 불구하고 3D 프린터 노즐로 나온 제품이 거의 없습니다.  간혹 KickStarter를 통해 몇몇 업체들이 이밴트성으로 제품을 내 놓았던 적이 있지만, 양산 제품화는 된 적이 없습니다. 

이번 Dyze Design에서 제작한 Tungsten Carbide Nozzle은 High Thermal conductivity steel Body에 Tungsten Carbide Nozzle Tip을 삽입하여 만든 노즐 입니다. 노즐 바디에 팁을 Insert 하는 것이므로, 바디와 팁 사이에 간극이 존재할 수 있는데, 설계가 잘못 되어 있다면, 이 틈으로 녹은 필라멘트가 세어 나올 수 있으므로, 이를 해결할 만한 설계와 조립환경을 구축하는 것이 기술력이고 노하우라고 할 수 있습니다.

노즐 규격은 아래와 같이 M6(E3D V6 호환), M6 HF(E3D Volcano 호환), MK10, UM3 등 4가지 Type이 있으며, 최대 동작 온도는 500도 입니다. 

서론이 길었습니다.

제품을 제작하고 판매하는 업체 입장에서야 좋다는 문구나 말은 모두 한데 모아 광고를 하기 마련이겠지만, 제가 이 많은 노즐 중에 이 노즐을 택한 이유는 딱 하나, 이 그래프 때문입니다. 

어느 하나 최고의 특성을 갖고 있지는 않지만, 경도(hardness), 열 전도율(Thermal Conductivity), 내 마모성(Wear Resistance)이 Brass 노즐에 대비 고르게 우수한 특성을 갖고 있다는 점 입니다. 특히, A2 harden Steel, Tungsten Alloy 노즐을 익히 사용해 본 결과 경도는 뛰어나지만 열 전도율이 낮아 역으로 PLA, ABS, PETG등 일반적으로 많이 사용하는 필라멘트 사용 시, Brass 노즐 만큼 쉽게 사용하면서 좋은 출력 품질을 얻을 수 없습니다.   

멀리 바다건너 날아온 택배

기쁜 맘으로 개봉을 해 보니, 아래와 같이 이쁜 금속 케이스가 들어 있습니다. 크기는 답배 갑 보다 가로세로 10mm 정도 큰 크기...

열어 보면, 아래와 같이 6개의 홀이 뚤려 있고, 가운데 노즐이 하나 들어 있습니다. ^^ 주문 시, 6개 끼지 패키지로 저 상자에 담아서 주는 듯 합니다. 저의 경우에는 Titan Aero를 사용하고 있기 때문에, M6 0.4mm 노즐을 구매 했습니다. 

아.. 중요한 가격은 55달러(약 6만 2천원),  Tracking이 가능한 국제 우편 배송을 선택할 경우 배송비는 18.08달러로 전체 비용은 73.08달러(약 8만2천원) 입니다. 신용카드(VISA, Master), Paypal 등으로 결제 가능합니다. 북미에서 물 건너 오는 것은 늘 배송비가 참 큰 부분을 차지하네요. OTL....

E3D V6 Brass Nozzle이 대략 8달러 정도 하니까, 7배가 되고, E3D V6 Copper Plate Nozzle이 10달러이까 대략 5배, 그리고 최근에 나온 Harden Steel 노즐인 Nozzle X가 23달러 정도 이므로 2배의 가격 입니다. 하지만 Olsson Ruby 노즐이 90달러인 것을 감안하면 40% 저렴한 가격입니다. 제대로만 성능을 발휘해 준다면 가성비가 낮은 것은 아니라는게 주관적인 생각입니다. 

아래는 Nozzle Tip 부분을 아이폰으로 확대해서 촬영한 사진 입니다. 케이스에서 아직 꺼내기 전에 촬영한 것이구요, 주변에 울퉁불퉁하게 보이는 부분은 보호용 스티로폼 입니다. (오해 할까봐..)

노즐 팁 부분 확대

노줄 팁 표면이 매끄럽지가 못해 보이죠 ? 그리고 orifice 부분도 역시 매끄러워 보이지 않습니다. 일단 스마트폰 사진으로 품질을 논하는 것은 적절치 않은 것 같고.. 꽤 높은 배율로 확대해 본 것이기 때문에 좀 과장되어 보이는 부분도 없지 않아 있다는 점을 참고해서 보셔야 합니다. 그냥 육안으로만 보면 꽤나 매끄럽고 준수해 보입니다.  앞서 말씀드렸듯이 절삭가공으로 노즐 팁과 홀을 만들지 않기 때문이기도 하고, melting된 필라멘트가 표면에 달라붙거나(sticking), 녹은 필라멘트의 점도 때문에 노즐 내부에서 표면과 일으키는 마찰(friction) 문제를 개선하기 위해 무전해 니켈 코팅을 했다는 점도 감안을 해야 합니다. 노즐은 전후좌우 모든 방향으로 이동하면서 고르게 라인을 출력해야 하므로, orifice는 이상적으로는 완전 구(Circle)여야 하고, Size 오차가 없어야 하며, 홀이 매끄러워야 합니다. 사진상으로 만 보면 왠지 불안해 보입니 만, 노즐 가격이 50달러가 넘는다면 그 만큼 제조사의 QC도 높은 수준이라고 믿어봐야 합니다. ^^ 결론적으로 주관적인 평가일 수 밖에 없겠지만 출력품질이 좋아야 하는 것이 중요하겠죠..

아래 사진은 측면에서 촬영을 한 것입니다. 노즐 팁의 Flat특성은 괜찮아 보입니다. 

아래 사진은 E3D M6 Heat Block에 노즐을 연결한 모습니다. 기존 E3D의 M6 노즐과 비교를 해 보면, 설계 상으로는 전체 높이는 2mm 더 길고, 나사선 부분은 0.5mm 짧습니다. 팁이 좀 불록한 것도 차이가 있죠.. 여기에 제조 및 조립공차가 더해지면 차이는 다소 더 커지겠지만 거의 동일하다고 볼 수 있습니다. 

노즐은 녹은 필라멘트가 나사선으로 세어 나오는 것을 방지하기 위해 Thermal Glue를 나사선에 바르고 렌치로 고정했습니다. 

위의 사진들은 E3D standard Heat Block Silicon Sock을 덧 씌운 장면 입니다. 노즐팁 부분이 약간 길고 옆으로 두꺼워 기존 Silicon Sock을 끼우면 살짝 불록해지지만 적당히 잘 맞습니다. 대안도 없으니 그대로 사용하는 걸로..

아래사진은 Throat를 연결하고, Titan Aero에 연결하기 위해 PTFE 튜브를 연결한 모습입니다. PTFE 튜브는 Capricorn XS, 개인적으로 PC(Polycarbonate) 필라멘트를 주로 사용하는데, Hotend 온도를 270도 이상으로 올려야 하기 때문에 이 녀석을 사용합니다. 

아래는 Hotend에 장착을 하고, 200도 온도에서 1mm/s 속도로 압출해 본 영상 입니다.  다행히 말리지 않고, 압출이 잘 됩니다.

자 아래는 이 노즐로 출력한 첫번째 Carbon Fiber 필라멘트 출력물입니다. 

3D Model : Smiling Owl Pot(2017 by Samie828)
3D Printer : Snowflake
Controller : Duet 2
Hotend : Titan Aero
Nozzle : Dyze Design Tungsten Carbide M6, 0.4mm
Filament : LEOPLAS Carbon Fiber(30%) PLA,
Extrusion Length : 10 meter
Temp : 210(Hotend) / 70(Bed)
Speed : 120 mm/s
Slicer : Slic3r PE alpha 5
Support : NO
Layer height : 0.2mm
Infill : 15% rectifier
Layer Cooling : 100%
Size : 60mm x 58.35mm x 49.22mm
Printing Time : 1h 59m

retraction 값을 기존 Brass Nozzle을 사용할 시의 설정값(1.8mm)를 그대로 사용했는데, String이 좀 발생합니다. 값을 찾아야 할 것 같습니다. 일단, 210도로 설정하고 120mm/s의 빠른속도로 출력을 해 봤습니다. 아래는 여러 각도에서 찍은 사진들 입니다. 

아래는 ESUN PLA+ Gray색상 필라멘트를 사용하여 출력한 XYZ Cube 입니다.  retraction 0.6mm, 출력속도는 70mm/s 이고, 나머지 출력환경은 위와 동일합니다. slic3r에서 xyz cube를 출력해 본 적이 없어서, 과거 cube 출력품질과 비교를 해 보기 위해 Slicer만 Simplify3D 4.0.1로 바꿔서 출력을 해봤습니다. 

S3D의 Top 퀄은 언제봐도 아주 쬐금 실망스럽네요..ㅋ

출력 품질은 예상했던 것처럼 이전 Brass Nozzle 사용해서 출력했을 때와 비교해서 더 좋거나 하지 않습니다. 대등소이 합니다. 이게 제가 이 노즐을 기다리면서 기대했던 것 이기도 합니다. harden Nozzle을 동일한 온도 설정에서 모든 필라멘트를 출력할 수 있다는 것 만으로도 만족! 

마무리를 해 볼까요?

결론적으로 열 전도율 특성은 매우 만족스럽습니다. 기존 Brass Nozzle 설정과 동일한 온도에서 불만없이 잘 출력이 되었고.. 노즐팁에 필라멘트가 눌러 붙지도 않고, 출력 후 잔존 필라멘트도 Brass 노즐에 비해 잘 빠져 나옵니다. 대략 5~10도 정도 낮은 온도로 출력을 해 봐도 괜찮을 것 같다는 생각이 드는데. 어느정도까지 온도를 낮춰도 Brass 노즐 사용할때와 품질차이가 없는지는 좀 더 면밀한 테스트가 필요해 보입니다.. 

아래는 retraction test를 해 본 것인데요. 왼쪽은 retraction distance 1mm, retraction speed 60mm/s, z-hop 0.4를 준 경우 이고, 왼쪽은 동일한 조건에서 z-hop만 Off 한 상태 입니다. Z-hop을 하게 되면, 압출이 멈춘상태에서 Z축이 멀어졌다 다시 가까워지게 되는데, 이 때 출력물과 노즐 사이에 필라멘트가 서로 이어져 string이 발생하게 됩니다. 몇 차례 테스트를 해 본 결과 retraction distance는 2배 이상으로 해야 효과가 있는 데, 완전하지는 않아 추가적으로 온도를 낮춰는 방향으로 개선점을 찾아봐야 할 것 같습니다. z-hop은 이동 간 노즐이 출력물에 부딪치지 않게 하기 위한 목적도 있기 때문에 가급적 사용을 하는 편인데. 온도를 낮춰도 z-hop간에 string 제거가 안된다면 좀 머리가 아플것 같군요.

다시 말하지만, 노즐에 큰 하자가 없는 한, 예전에 쓰던 노즐이 열화되었다면 모를까. 노즐을 바꾼다고 해서 직접적으로 출력품질 자체가 더 향상되는 것은 결코 아닙니다. 다만, 새 것이고 열/flow 특성이 좋아진 경우 상대적인 품질향상을 기대할 수는 있습니다. Harden Nozzle을 사용하는 가장 큰 이유는 어디까지나 마모성 필라멘트를 사용하기 위한 것이고, 특히 tungsten Carbide 노줄을 사용하는 이유는 필라멘트를 가리지 않고 모두 사용할 수 있는 환경을 구축하기 위함입니다. 따라서, PLA, ABS, PETG, PC 정도만 사용하는 것이라면 굳이 비싼 돈 주고 노즐을 바꿀 이유도 당연히 없습니다. 노즐 팁 관리 때문이라면(특히 PETG..) plated Nozzle 정도만 사용해도 됩니다. 

이 노즐에 대한 진정한 평가가 이뤄지려면 상당히 오랜 시간이 흘러야 하고, 매우 많은 출력을 해 봐야 합니다. 나에게 온 이 노즐이 사실은 품질이 나쁜 것일 수도 있고, 반대로 좋은 상태일 수도 있습니다. 이 노즐 하나만 써 본 상태에서 좋다 나쁘다를 판단을 내리는 것은 무리겠죠. 추 후에 단점을 개선한 upgrade 버전이 나올 수도 있을거고.... 

현재까지 분명하게 확인된 정점은 Tungsten Carbide 노즐의 열 전도율이 예상대로 Brass 노즐에 비해 우수하다는 점과 노즐팁에 필라멘트가 잘 달라붙지 않으며, 쉽게 제거되어 청결도를 유지하기가 용이하다는 것입니다. ^^