3D 프린터 필라멘트 수축률에 따른 설계 노하우

3D 프린터 필라멘트 수축률에 따른 설계 노하우를 이야기하려고 합니다. 3D 프린터로 출력한 부품이 설계한 치수보다 작거나, 조립이 빡빡하게 들어맞지 않을 때, 우리는 슬라이서 설정이나 프린터 오차를 먼저 의심하게 됩니다. 하지만 많은 경우 **문제의 핵심은 '필라멘트의 수축률(Shrinkage Rate)'**입니다.
3D 프린터에서 사용되는 대부분의 열가소성 소재는, 녹은 상태에서 냉각되면서 수축하는 성질을 가지고 있습니다. 이 수축은 출력물의 실제 크기에 영향을 주며, 조립 부품이나 기구물에서는 기능상의 문제를 유발할 수 있습니다. 특히 PLA, ABS, PETG, 나일론 등 각기 다른 소재는 열팽창 계수와 냉각 수축률이 다르기 때문에, 같은 G-code라도 출력 후 크기 오차가 전혀 다르게 나타납니다.
이 글에서는 3D 프린팅에서 필라멘트 수축률이 발생하는 원리를 설명하고, 소재별 수축률 특성, 설계 단계에서 이를 고려하는 치수 보정 전략, 그리고 실전에서 적용 가능한 수축 보정 팁을 상세하게 소개합니다. 정확한 조립과 치수 정밀도를 원하는 사용자라면 반드시 알아야 할 핵심 지식입니다.

 

 

1️⃣ 필라멘트 수축은 왜 발생하는가?

열가소성 소재의 특성, 출력 후 냉각 시 일어나는 변화

3D 프린터는 열가소성 플라스틱을 고온으로 녹여 노즐을 통해 압출하고, 이 녹은 필라멘트가 빠르게 식으면서 형태를 유지하는 방식입니다. 그런데 이때 대부분의 열가소성 소재는 냉각되면서 부피가 감소하는 고유 특성을 보입니다.

🔹 수축률의 정의

• 필라멘트가 냉각되면서 원래 설계한 치수보다 출력물이 작아지는 비율
• 보통 0.2% ~ 2% 정도 수축되며, 소재와 출력 환경에 따라 다름

🔹 수축이 발생하는 위치

• 출력물 전체에서 균일하게 수축되는 것이 아니라, 모서리·얇은 벽·브리징 부위 등에서 불균형하게 수축됨
• 이로 인해 출력물이 비틀리거나, 변형이 생기며, 정밀 부품은 조립 불가가 되기도 함

결과적으로, 설계한 20mm 큐브를 출력했는데 19.6mm가 나왔다면 이는 단순한 설정 오류가 아니라, 필라멘트의 열 수축을 고려하지 않은 설계 문제일 수 있습니다.

2️⃣ 소재별 수축률 비교와 출력 특성 분석

같은 모델이라도 소재에 따라 전혀 다른 결과가 나온다

각 필라멘트는 고유한 수축 특성을 가지고 있으며, 이 차이는 무시할 수 없습니다. 다음은 대표 소재의 수축률 비교입니다:

소재                                 평균 수축률                   출력 온도                  특성

PLA	0.2% ~ 0.5%	190~210℃	수축률 매우 낮고 초보자용으로 적합
PETG	0.4% ~ 0.7%	230~250℃	내열성, 강도 우수하지만 수축률 존재
ABS	0.8% ~ 1.5%	240~260℃	수축률 크고 Warping 현상 잦음
나일론(Nylon)	1.5% ~ 2.0%	250~270℃	내충격성 높지만 수축률도 매우 큼
TPU	0.5% 이하	220~240℃	유연성 있으나 치수 정밀도는 낮음

🔸 결론적으로:

• PLA는 수축률이 가장 낮아 정밀 출력이 용이
• ABS나 나일론은 치수 보정 필수
• 조립 부품을 만들 때는 소재의 특성을 반드시 고려해야 함

3️⃣ 수축률을 고려한 설계 보정 노하우

출력 전에 설계에서 치수를 조정하는 것이 가장 정확하다

정밀도를 높이기 위해서는 슬라이서에서 보정하기보다 3D 모델 자체에서 수축을 고려한 치수 조정이 가장 확실한 방법입니다.

✅ 방법 1: 치수 확대 설계

• 예: ABS 출력 시 20mm 파츠 → 20.3mm로 확대 설계
• CAD 도구에서 1~2% 사이즈 증가 적용

✅ 방법 2: 구멍 보정

• 원형 구멍은 수축 시 직경이 더 작아지므로, 조립 부품일 경우 설계 시 여유를 둬야 함
• 예: 6mm 볼트 구멍 → 6.3mm로 설계 (ABS 기준)

✅ 방법 3: 간격 조절

• 끼워 맞추는 부품은 수축률 + 조립 공차를 함께 고려
• 일반적으로 0.2~0.3mm 간격을 두면 출력 후 잘 맞음 (PLA 기준)

✅ 방법 4: 테스트 출력

• 출력 전 20mm 큐브나 표준 조립 부품을 먼저 테스트해 보고 실제 수축 정도를 측정
• 이를 기준으로 모델 전체 보정

수축률을 정확히 계산할 수 없다면, 테스트 출력 후 실제 사이즈를 캘리퍼스로 측정하여 모델을 역산 보정하는 방법도 효과적입니다.

4️⃣ 슬라이서 설정으로 보정하는 추가 팁

출력 소프트웨어에서 수축을 줄이는 방법도 존재한다

설계 보정 외에도 슬라이서(G-code 생성 프로그램)에서 일부 수축 문제를 줄일 수 있는 설정들이 존재합니다.

🔹 Flow(유량) 조정

• 수축된 부분을 보완하기 위해 필라멘트 유량을 100% → 102~104%로 약간 증가
• 단, 과도하게 높이면 오버 익스트루전 발생 가능

🔹 Shell 수 증가

• 외벽을 2겹 이상으로 설정하면 수축이 외벽에서 흡수되어 내부 구조가 안정됨

🔹 온도 유지

• 수축률은 냉각 속도가 클수록 커지기 때문에, 베드 온도 유지와 냉각 팬 속도 제어가 중요
• 특히 ABS나 나일론은 출력 중 챔버 온도 유지가 핵심

🔹 ‘Compensation’ 기능 활용

• PrusaSlicer, Simplify3D, Orca 등 고급 슬라이서는 축 방향별 수축 보정을 위한 설정 제공
• 각 축에 대해 X/Y/Z 별 수축률을 지정하여 자동 확대 적용 가능

✅ 결론: 치수를 지배하는 자가 출력의 정밀도를 지배한다

3D 프린팅에서 수축률은 보이지 않지만 절대 무시할 수 없는 물리적 변수입니다. 필라멘트의 종류마다 고유한 수축 특성이 있으며, 이를 고려하지 않고 출력하면 정확한 부품이 나올 수 없습니다.
이번 글에서는 소재별 수축률의 차이, 설계 단계에서의 치수 보정 전략, 슬라이서 설정을 통한 보완 방법까지 총체적으로 다뤘습니다.
정밀도를 요구하는 출력물을 만들고 싶다면, 수축률을 이해하고, 직접 측정하고, 이에 따라 설계부터 맞춰야 합니다.