3D 프린팅 프로세스

3D MODEFLING= CAD소프트웨어를  이용한 직접모델링, 공유플랫폼을 이용한 다운로드, 3D 스캐닝

3D 프린터 표준포맷 STL파일을 슬라이싱소프트웨어이용-레이어로 나눔-G 코드형식 파일로 변환

슬라이싱=3D 모델을 프린터용 명령으로 변환하는 프로세스

 

1.3D 모델링

기계설계, 시제품 제작, 엔지니어링, 건축, 디자인, 캐릭터 등 다양한 산업에서 활용 – 꾸준히 성장세

3D 모델 데이터는 절삭가공 기계 CNC( Computer Numerical Control)

                                신속조형기계 꼐(Rapid Prototyping Machine)에 의해 실물 가공

 

1) CAD 소프트웨어 (직접모델링)

 1)-1 3D 모델링 일반

컴퓨터 그래픽 = 3차원공간에서 가상의 오브젝트-지오메트리

지오메트리 구현방식= 넙스(NURBS), 폴리곤(POLYGON)으로 나눠짐

 

 

 

 

모델링은 컴퓨터의 가상 공간 상에서 실물과 같은 현실성을 표현하기 위해

시각적인 형상을 구성해 나가는 과정이다.

3D 모델 데이터는 절삭가공기계인 CNC(Computer Numerical Control)나

신속조형기계인 RP(Rapid Prototyping Machine)에 의해 실물 가공된다.

 

1.1.  CAD 소프트웨어(직접 모델링)

 

3D 프린터로 원하는 출력물을 제작하기 위해서는 반드시 3차원 모델링 데이터가 필요하다.

컴퓨터를 이용한 설계인 캐드(CAD, Computer-Aided Design) 또는

3 차원 모델링 소프트웨어를 이용하여 3차원 데이터를 모델링한다.

모델링 과정에 서는 CAD와 같은 컴퓨터 그래픽 설계 소프트웨어들을 주로 사용하며,

출력을 위해 STL 파일 포맷으로 변환해 주면 된다.

 

1.1.1  3D 모델링 일반

 

컴퓨터 그래픽은 컴퓨터를 이용하여 3차원 공간에 가상의 오브젝트를 만드는

것에부터 시작된다.

이 가상의 오브젝트를 지오메트리(Geometry)라 한다. 지오메트리 구현 방식은

폴리곤(POLYGON)과 넙스(NURBS)로 나눠진다.

 

지오메트릭 구현의 종류 중 하나인

넙스(NURBS, Non-Uniform Rational Basic Spline Modeling)는

비정형화된 함수의 곡선으로 곡선(Curve)과 표면(Surface)의 표현을

정확히 수학적으로 정의한다.

곡선으로는 B-Spline, 원추 곡선을 표현할 수 있으며,

4개의 좌표 조정점을 사용하여 곡선의 변형도 자유롭다.

 

폴리곤 모델링(Polygon Modeling)은

컴퓨터 그래픽스에서 사용하는 일반적인 표현법으로 삼각형들로 구성된

면의 집합을 이용해서 모델을 표현한다.

폴리곤은 정점(Vertex)과 모서리 부분 선((Edge),

그리고 면(face)으로 구성되며, STL 파일도 표면 데이터를 

이용한 폴리곤 표현 방식이다.

정밀하고 부드러운 표현을 위해 수 많은 정점(Vertex)을

필요로 하기 때문에 수정 시 번거로움이 있다.

[폴리곤(Polygon) 방식]

표준화된 그래픽 소프트웨어의 표준 규격은 응용프로그램이나

API(Application Program Interface)를 개발하거나,

새로운 주변장치를 개발할 때 다시 수정, 설계 하는 번거로움을 제거해 준다.

개발된 CAD/CAM 시스템을 컴퓨터의 종류에 무 관하게 사용할 수 있는 장점이 있다.

 

그래픽 소프트웨어의 표준규격

DXF(Data Exchange File),

IGES(Initial Graphics Exchange Specification),

STEP(Standard for Exchange Product Model Data),

STL(Stereo Lithography),

GKS(Graphical Kernel System),

CGM(Computer Graphic Metafile) 등이 있다.

 

DXF는 오토데스크 社 의 오토캐드(AutoCAD) 데이터와

-------호환성을 위해 제정한 아스키 포맷(ASCII Format)이다.

IGES : -최초의 표준포맷, 점, 선, 원, 자유곡선, 자유곡면, 트림곡면, 색상, 글자 등

        -CAD/CAM 소프트웨어에서 3차원 모델의 거의 모든 정보를 포함할 수 있다.

        -중립파일을 이용해 서로 다른 CAD/CAM 시스템 간의 형상 데이터 교환을

         위해 만들어진 포맷으로 아스키 (ASCII)와 바이너리(Binary)가 있다.

STEP:  개념 설계에서 상세 설계, 시제품, 테스트, 생산,

-------생산지원에 이르는 라이프 사이클(Life Cycle)에 적용되는 제품데이터(Product)의

-------표현 및 교환을 위한 국제 표준 규격이다.

 

STL : 신속조형의 표준 입력파일 포맷으로 CAD/CAM S/W 개발자들에 의해

표준 출력 옵션으로 선정 되어 현재는 대부분의 CAD/CAM S/W에서 지원하고  있다. 

쉬운  정보  교환 기능 을 가지고 있으나

모델링된 곡면은 삼각형 다면체로 정확히 옮길 수 없다는 단점이 있다.

메시정보만 포함, 세 꼭지점, 오른손법칙

GKS : 그래픽 기법이 아닌 Polyline, Fill area, Text, Polymaker 등으로

-------1985년 ISO, ANSI 등에서 표준으로 채택되었다.

CGM : 도형의 이미지, 정보의 저장방법, 도형 정보를 파일로 저장할 때

도형에 따라 일정 규칙을 정해 저장하게 하는 표준 규칙이다.

수정과 편집이 가능한 장점이 있다.

 

넙스(NURBS) : 비정형화된 함수의 곡선으로 곡선과 표면의 표현을 정확히 수학적으로 정의한다.

(수학함수 이용, 곡면의 형태, 가장 부드러운 모델의 표현이 가능, 주로 동식물 모델링에 많이 사용

폴리곤 :

모든 면이 삼각형으로 되어 있다.

모든 오브젝트의 기본이 되는 요소

OBJ : 색상 및 질감 정보를 갖고 있는 것이 특징, 3D프린팅에도 적용하는 파일 형식

-------3D 모델링 데이터의 한 형식, 기하학적 정점, 텍스쳐 좌표,

-------정점 법선과 다각형 면들을 포함

-------애니메이션 프로그램 Wavefront Technologies에 의해 개발

-------거의 모든 프로그램 간의 호환 잘 되어 많이 사용되고 있다.

-------많은 용량이 필요ㅡ OBJ 파일로 내보내고 불러오는데 시간이 많이 걸리는 단점

 

PLY : OBJ 파일형식의 부족한 확장성으로 인한 성질과 요소에

------개념을 종합하기 위해고안되었다.

-------90년대 중반 스탠포드 그래픽 연구소의 Greg turk에 의해 개발된 파일 형식

 

3차원 컴퓨터 그래픽스의 제작 과정은 먼저 컴퓨터를 이용하여 물체의

디지털 데이터  형태를  만드는  ‘3차원  모델링’과정과  작업  공간에  물체를  

배치하고  움직임을  설정,  제어하는  ‘레이아웃과  애니메이션’과정,  

그리고,  조명  효과  및  재질  등의  설정  등을  바탕으로  실사  형태를  

생성하는  ‘3차원  렌더링’과정으로  분류된다.

 

3차원 모델링은 컴퓨터의 가상 공간에서 재현 가능한 모델을

3차원의 디지털 데이터 형상으로 만드는 작업으로 물체의 형상과

상태를 사전에 파악하기 위해 2차원 평면 스케치를 통해 공간에

점과 선, 그리고 면을 이용해 3차원의 모델을 완성하고,

기하학적인 물체의 모양과 색, 반사율, 텍스처 등의 특성을 표현한다.

 

3차원 컴퓨터 그래픽스의 제작 과정은 먼저 컴퓨터를 이용하여 물체의

디지털 데이터  형태를  만드는  ‘3차원  모델링’과정과  

작업  공간에  물체를  배치하고  움직임을  설정,  

제어하는  ‘레이아웃과  애니메이션’과정,  

그리고,  조명효과  및  재질  등의  설정  등을  바탕으로  실사  형태를 

생성하는  ‘3차원  렌더링’과정으로  분류된다.

 

3차원 모델링은 컴퓨터의 가상 공간에서 재현 가능한 모델을

3차원의 디지털 데이터 형상으로 만드는 작업으로 물체의

형상과 상태를 사전에 파악하기 위해 2차원 평면 스케치를 통해

공간에 점과 선, 그리고 면을 이용해 3차원의 모델을 완성하고,

기하학적인 물체의 모양과 색, 반사율, 텍스처 등의 특성을 표현한다.

 

3D 모델 데이터를 제작하는 방법

3D 모델링 도구를 이용하여 직접 만들거나,

3차원 스캔을 이용해서 디지털 데이터 값을 입력 받아 모델을 생성한다.

3D 모델은 폴리곤(Polygon, 다각형)을 형성하는 정점(vertex)이라고

하는 점들로 구성되며,

모델링의 완성도와 형태적 안정성은 폴리곤의 구조가 결정한다.

렌더링은 모델의 환경적인 요소들을 결정 지어 주는 것으로, 

빛에 대한 요소인  컬러, 밝기, 투명도 등을 통해 빛에 어떻게 반응하는지

물리학적으로 표면을 표현 하여 실사 효과를 얻거나,

반 실사 렌더링(NPR, Non-photorealistic rendering)을 이용하고,

카메라의 위치를 이용해 모델을 화면 좌표계에 투영시키는 것이며,  

3D 컴퓨터 그래픽 소프트웨어나

3D 그래픽 API(application Program Interface) 를 사용하여 진행한다.

 

기본 도형은 2차원 도형과 3차원 도형으로 구분된다.

2차원 기본 도형은 기하학적 2차원 형상의 도형으로

기본 요소인 점(Point), 선(Line), 원(Circle), 원호 (Arc)으로 구성되고,

도형이 서로 연결되면 자유곡선이 된다.

 

점은 절대 좌표와 상대 극 좌표, 상대 좌표, 최종 좌표로 구분된다.

절대 좌표는 원점에서 해당 축 방향으로 이동한 거리를 의미하고,

극좌표는 먼저 지정된 점과 지정된 점까지의 직선거리 방향은 각도와 일치한다.

상대 좌표는 먼저 지정된 점으로부터 해당 축 방향으로 이동한 거리이다.

최종 좌표는 지정 될 점 이전의 마 지막으로 지정된 점을 의미한다.

 

점은 기준위치나 도형의 기준점 역할을 하고 커서 제어에 의해

만들어지거나 키보드를 이용해 좌표 값을 입력한 점,

지정된 점에서 일정한 거리의 점, 두 선의 교점에 의한 점을 의미한다.

 

직선은 도면을 구성하는 가장 기본 도형요소로

두 점에 의해 연결된 선, 두 곡선에 대한 접선,

한 점과 수평선과의 각도로 표시된 선,

한 점에서 직선에  대한 평  행선 혹은 수직선,

한 곡선에 접하고 한 점을 지나는 직선,

두 곡선의 최단거리를 잇는 선분을 의미한다.

 

원과 원호는 중심과  반지름, 중심과 원추상의  한 점,

원주상의  세  점,

반지름과  두 개의 직선과 곡선에 접하는 곡선,

세 개의 직선에 접하는 곡선,

수의 체계와 자료표현과 기하학적 형상 모델링으로 표시된다.

 

3차원 도형은 다양한 수학적 표현을 사용해

공간상에 실체를 표현하는 것으로 기본 형상들을 복합적으로 

구성하여 물체를 표현한다.

기본적인 수학적  표현 형상을 프리미티브(primitive)라고 한다.

기본 형상은 원추, 구, 원뿔, 실린더(원기둥) 등의

기본 도형 요소로 구성된다.

기본  도형 요소의 집합이 3차원 형상이다.

순차적 표현과 범위가 지정된 형상 표현이 쉬운 매개변수식(parametric equation)과

직관적 해석이 편리한 반면 좌표계가 달라지면

형상 표현이 어려워지는 비매 개변수식(non-parametric equation)이 있다.

 

출처 : 김천환/ 실전 3D프린팅 활용가이드, 비제이퍼블릭/2017