들어가며
최근 다양한 3D 기술을 기계 설계뿐만 아니라 실생활에서도 사용하는 경우가 많다. 3D 모델링 데이터를 만들기 위해 3D 스캐너를 사용하기도 하고, 제작한 3D 모델링 데이터를 실제 제품으로 제작하기 위해 3D 프린터를 활용하기도 한다. SOLIDWORKS를 활용하여 3D 스캐너 데이터부터 3D 프린터로 제작하는 과정을 살펴보도록 하겠다.

첫 번째  l  3D 스캐너란
최근에 의료 기기 분야에서는 환자의 치료 부위에 맞게 제품을 제작하기 위해 3D 스캐너를 이용하여 스캐닝 데이터를 이용한다. 먼저 3D 스캐너에 대해 설명하자면, ‘입체의 사물을 레이저나 백색광을 투사하여 대상물의 형상정보를 3D 데이터로 만들어 주는 장치’다. 조금 더 쉽게 카메라라고 생각하면 된다. 기존 카메라는 2D의 정보까지 표현하는 반면, 3D 스캐너는 ‘깊이’까지 인식하여 정보를 제공한다.
이런 3D 스캐너의 데이터를 활용하여 그대로의 형상을 3D 프린터를 이용하여 출력하기도 하지만, SOLIDWORKS에서 역설계를 하기 위해 불러와 작업이 가능하다. 이때 SOLIDWORKS “Scan to 3D” 기능을 활용해 보겠다.

그림1. Scan to 3D에서 지원하는 파일 포맷

두 번째  l  3D 스캔 데이터 불러오기 (Scan to 3D)
이제 스캐너로 만든 3D데이터를 SOLIDWORKS에서 사용해 보도록 하겠다. SOLIDWORKS에서 3D스캐너 데이터를 불러와 사용하기 위해서는 ‘Scan to 3D’ 기능이 필요한데, 이 기능은 SOLIDWORKS Professional 이상 모듈에서 사용 가능하다. 먼저 Scan to 3D로 불러올 수 있는 확장자는 아래 표와 같다.
SOLIDWORKS에서는 다양한 스캐닝 데이터를 불러 올 수 있게 되어있다. Scan to 3D의 주요 기능들은 아래 그림과 같다. ‘Scan to 3D’는 스캐닝 데이터를 불러온 후 SOLIDWORKS 에서 다양하게 작업할 수 있다. 먼저 점 집합 파일을 불러왔을 때 메시 데이터로 작업을 해주는 ‘메시 준비 마법사’, ‘메시 편집’ 기능이 있다. 그리고 메시 파일을 불러 왔을 때 곡선 또는 곡면으로 작성할 수 있는 ‘곡선 마법사’, ‘곡면 처리 마법사’ 기능도 있다. 마지막으로 메시와 메시 간의 편차를 확인할 수 있는 ‘편차 분석’ 기능이 있다.
먼저 예시 파일을 불러와서 기능들을 보겠다. 이 데이터는 손의 형태를 스캐너로 찍어둔 파일이고, 확장자는 ‘.3ds’로 되어 있다. 불러온 데이터는 메시 데이터로 인식된다. 이제 이 메시 데이터를 SOLIDWORKS에서 활용하는 방법에 대해 알아보도록 하자.
불러온 메시 데이터를 사용해 보자. 메시 데이터를 곡면의 데이터로 바꿔서 SOLIDWORKS 에서 모델링에 참조하기 쉽게 만들어 보겠다.
먼저 ‘곡면처리 마법사’ 기능을 이용해 보자. 시작 단계에서는 메시 데이터를 선택하고 ‘다음’ 버튼을 클릭한다. 다음으로 솔리드/곡면 작성 단계에서 ‘자동작성’ 기능을 이용해 쉽게 만들어서 표현하거나, 면 형태를 조절하여 작성하려면 ‘안내 요소를 이용한 작성’에 체크하면 된다. 간단하게 자동작성을 선택하고 다음을 클릭한다. 곡면의 상세도를 정한 후 ‘미리보기 업데이트’를 하면 곡면의 형태를 미리 확인할 수 있다. 여기서 스캔 데이터의 깨진 부분이 곡면 오류로 뜨는데, 이런 부분은 스캔 데이터를 곡면으로 표현하기 힘들 때 나타난다. 이런 오류 부분은 추후 ‘곡면 채우기’나 다른 곡면 기능을 이용하여 수정해 주면 된다. 만드는 과정을 한 번 더 아래 그림으로 설명해 두었다.

그림 2. Scan to 3D 기능

그림 3. SOLIDWORKS에서 3D Scan 데이터를 불러온 상태

그림 4. 곡면 처리 마법사를 활용한 스캔 데이터 작업

세 번째  l  스캔데이터를 활용한 모델링 만들기(의수 커버 부품 만들기)
스캔데이터를 활용하여 모델링을 한다는 것은 대량 생산이 아니라 고객에게 맞는 맞춤형 제품을 제작할 때 많이 사용되고 있다. 조금 전 불러온 손 스캔 데이터를 활용하여 의수의 커버 제품을 만들어 보자. 스캔 데이터는 그대로 사용하는 것이 아니라 스캔데이터에 맞추어 새로운 모델링을 제작할 때 참고용 으로 사용하면 된다. 곡면으로 바뀐 데이터는 곡면 모델링으로 응용해 보도록 하자.
먼저 의수 모델링에 필요한 면들만 ‘곡면 오프셋’을 사용 하여 작업에 사용한다. 오프셋 거리는 0㎜만큼 동일한 위치의 면을 가져오자.

그림 5. 곡면 오프셋 기능을 사용하여 스캔데이터의 일부 면을 사용

오프셋 한 면을 따라서 의수 커버 형상을 작성 해보자. 3D 스케치를 활용하여 의수 제품의 대략적인 형상을 스케치 한다. 다음으로 ‘곡면 로프트’의 기능을 사용하면 커버 제품의 모양이 대략적으로 만들어진다. 스캔 데이터를 바로 사용하지 않고 적절한 형상을 모델링으로 작업하여 사용한다. 간혹 스캐닝 데이터에 일부분이 제대로 인식이 안 되어 있는 경우도 있는데, 이럴 때는 실제 제작하고자 하는 형상에서 스캐닝 데이터의 일부분을 사용하여 작업하면 된다.

그림 6. 곡면 로프트 기능을 활용하여 손에 감기는 형상 표현

스캐닝 데이터를 기준으로 만들어진 곡면은 딱 맞게 되어있다. 곡면을 약간 띄워서 간격을 지정하자. 실제 손 스캐닝 데이터를 그대로 사용하게 되면 추후 3D 프린팅한 제품이 딱 맞아서 장착을 못할 수도 있기 때문이다. ‘곡면 오프셋’의 기능을 활용 하여 여유간격을 지정해 준다.

그림 7. 3D스캐닝 데이터는 피부 면과 동일하므로 제품 제작을 위해 여유 공간 필요

간격이 있는 면에 엄지손가락이 들어갈 수 있는 공간을 표현해 보자. 3D 스케치 중 ‘곡면 위 자유곡선’ 기능을 활용하여 기존 스캐닝 데이터에서 엄지손가락 부위에 맞추어 곡면 위에 바로 여유 공간을 그려준 뒤, ‘곡면 잘라내기’ 기능을 활용해 스케치 구간을 잘라 내면 된다.

그림 8. 엄지손가락이 들어가는 구멍의 부분을 스케치하여 곡면 잘라내기

다음으로 엄지손가락을 받쳐주는 부분을 만들어 보자. 스캔 데이터에서 손가락이 닿는 위치에 3D스케치로 자유곡선 형상을 그려준 후 ‘곡면 로프트’ 기능을 이용하여 연결하면 된다. 다음 으로 만들어진 두 곡면을 ‘곡면 붙이기’ 기능으로 붙여주기만 하면 한 개의 커버 면이 만들어진다. 3D 스캐너 데이터를 충분히 활용하여 자신에게 딱 맞는 제품을 제작할 때 이처럼 SOLIDWORKS의 곡면 기능을 활용하여 자유로운 형상을 표현할 수 있다.

그림 9. 손가락이 받쳐지는 공간을 만든 후 한 개의 면으로 병합

이렇게 곡면으로 만들어둔 형상은 추후 제품 제작을 위해 두께가 있는 솔리드바디로 바꾸어 추가 작업을 하자. ‘두꺼운 피처’ 기능을 활용하면 비로소 3D 프린팅이 가능한 형상으로 나타난다. 두께가 있는 형상에 ‘필렛’ 기능을 활용하여 모서리를 다듬어 주면 완성품이 만들어진다. 이렇게 스캔 데이터를 활용 하여 SOLIDWORKS로 아주 쉽게 개인에 맞는 제품을 바로 구현해서 만들 수 있다.

그림 10. 곡면의 형상을 제작한 후 모서리를 다듬어서 제품 제작 완료

네 번째  l  3D 프린터란?
최근에 3D 프린터는 많이 보급화 되어 사용 중이다. 3D 프린터의 정의를 살펴보면 ‘3차원 도면 데이터를 이용하여 입체적인 물품을 생성하는 장치’다. 기존의 프린터는 종이와 같이 2차원 평면에 인쇄를 하였으나 3D 프린터는 모델링 파일을 사용하여 바로 만들어 볼 수 있다는 것이 큰 장점이다. 이전에는 제조업 분야에서 mock-up을 만들 때 정도만 사용되었는데, 최근에는 의료, 건설, 식품 의류까지 다양한 분야에서 사용되고 있다. 특히나 의료분야에서는 이런 3D프린터 기술을 아주 적극적으로 활용하고 있다. 사람마다 각각 다른 치아나 관절, 인공 장기 등의 제작에 사용되기도 한다.

다섯 번째  l  Print 3D
SOLIDWORKS에서는 3D 프린터를 활용하여 바로 제품을 프린팅할 수 있다. ‘Print3D’를 활용하여 작업이 가능하다. 실제 3D 프린터가 연결되어있으면 해당 프린터 크기에 맞춰서 제품을 인쇄할 수 있다. <그림 14>의 SOLIDWORKS 화면을 살펴보면 모델의 기준 바닥 면을 지정해준 후 방향 및 배율을 자동적으로 계산하여 나타내 주는 것을 볼 수 있다. 추가적으로 미리보기를 활용하여 실제 적층 방식으로 프린팅 되었을 때 지원이 필요한 면이 있으면 색상으로 표현도 해준다. 추후 프린팅 작업 시 서포트 사용여부를 결정하면 된다. 마지막으로 파일 저장을 해주면 프린터 사이즈에 딱 맞는 파일로 파일을 저장해 둘 수 있다. 이 ‘Print3D’ 기능은 SOLIDWORKS 2016에 새롭게 추가된 기능이다. 새로운 기술의 추세에 따라서 SOLIDWORKS가 꾸준히 진화하고 있음을 볼 수 있다.

그림 11. SOLIDWORKS Print3D 옵션(위)과 미리보기(아래) 기능

마무리
여기까지 다양한 3D 기술을 활용한 맞춤형 제품 제작에 대해 알아보았다. SOLIDWORKS에서는 여러분들이 사용하는 3D 스캐닝 작업과, 3D 프린팅 작업을 조금 더 효율적이고 빠르게 작업할 수 있도록 도와준다. 불과 10년 전과 비교해도 현재의 3D 기술 사업은 많이 발전 되어있고, 또한 더 발전할 것이다. SOLIDWORKS와 함께 여러분들에게 딱 맞는 맞춤형 제품 제작을 보다 쉽게 하길 바란다.

노드데이타 조수연 대리