3D 프린팅 절차와 소프트웨어

슬라이싱에 대해서 자세히 알아보자. 아래의 그림을 보면 상자형태의 모델이 있고 그림 가운데 예제는 상자를 일정한 높이만큼 여러 개의 레이어로 분리했다. 그림 오른쪽은 분리된 레이어 중에 하나를 위에서 본 모양이다. 빨간색과, 녹색은 큐브의 외벽을 만들기 위한 필라멘트가 적층되는 경로이고 외벽 사각형 안쪽 격자는 큐브 안쪽을 격자모양으로 필라멘트가 적층되기 위한 경로이며 그리드 인필 패턴이라고 한다. 직선, 삼각형, 육각형등의 패턴이 주로 적용된다. 맨 아래쪽 레이어부터 최상단 레이어 별로 필라멘트가 적층되면서 박스형상이 만들어진다. 큐브의 바닥면과 최상단의 면은 촘촘하게 필라멘트가 적층되기 위하여 G-code 경로가 다르다.

 

아래의 그림은 인필 패턴의 예제이다. 재료의 절감, 구조를 고려해서 채우는 정도를 조정해서 밀도가 높게 채울 수 있다. 아래 그림의 채움 퍼센트를 조정해서 채움의 밀도를 조헝한 예제이다. 패턴 외에 격자 구조(Lattice)를 이용해서 내부를 채울 수 있다. 

 

3D 프린팅을 위해서는 단계별로 소프트웨어가 필요하다. 아래의 그림은 3D 프린팅 절차별로 필요한 알고리즘과 관련된 소프트웨어에 대한 예제이다. 첫 번째로 모델이 필요하고 모델을 만들기 위해서는 캐드기반의 모델링 소프트웨어가 필요하다. 두 번째로 출력용 파일로 저장하는 데 필요한 데이터 변환 소프트웨어이다. 모델링 소프트웨어는 자체적으로 3D 프린팅 출력을 위해서 통용되는 STL, OBJ 파일로 변환하는 기능을 포함하고 있다. 3D 형상을 표현하는 모델은 3D 프린팅이 활성화되기 전부터 다양한 파일 포맷으로 이미 존재하고 있다. 변환 소프트웨어는 여러 파일 포맷을 STL, OBJ 파일로 변환하는데 필요한 소프트웨어이다. 

 

 

세 번째는 STL, OBJ 파일이 가지고 있는 형상 정보를 3D 프린팅 가능하게 만드는 검증, 보정 소프트웨어가 필요하다. 아래의 그림은 STL을 구성하는 삼각형이 모델링될 때 만들어지는 오류의 예제이다. 삼각형을 구성하기 위한 최소 조건을 만족하지 못한 점, 선, 선을 공유하는 주변 삼각형의 개수 초과 혹은 부족으로 인한 구멍과 구멍안에 독립된 삼각형의 존재, 삼각형의 경계면이 만나지 못한 틈, 삼각형의 교차와 법선 벡터 불일치, 삼각형을 구성하는 각도 문제가 있으면 출력 불량을 야기한다. 이와 같은 오류는 출력하기 전에 보정해야 한다. 네 번째로 검증, 보정된 STL 데이터는 슬라이서 소프트웨어에 의해서 G-code로 저장된다. 슬라이서 소프트웨어에서 3D 프린터가 출력할 수 있는 최대 크기 보다 더 큰 형상을 출력하기 위하여 모델을 분할하는 기능을 포함이외에도 3D 프린터가 출력할 수 있는 최대 크기 보다 더 큰 형상을 출력하기 위하여 모델을 분할하는 소프트웨어와 서포터를 생성하는 기능을 포함할 수 있다. 슬라이서는 레이어 별로 G-code가 담고 있는 정보를 볼수 있는 뷰어가 포함될 수 있고 적층되는 모습을 가상으로 시뮬레이션해서 볼 수 있는 3D 프린팅 시뮬레이션 소프트웨어로 확장된다. 다섯 번째로 생성된 G-code를 보거나 수정할 수 있는 G-code 뷰어, 에디터 소프트웨어가 있다. 여섯 번째로 프린터 제어 소프트웨어는 G-code를 3D 프린터에 보내서 출력을 담당한다.

 

모델링 소트프웨어

■ Autodesk 사는 3D 프린팅 하드웨어와 소프트웨어에 집중하고 있다. 3D 프린팅 모델링, 수정, 보정 소프트웨어 회사를 인수하면서 다양한 제품군을 보유하고 있다. 123D 라는 소프트웨어 제품군을 무료로 제공하면서 많은 사용자를 확보했다. 현재는 이중 일부의 제품만 남기고 서비스를 중단하였으며 기존 제품의 기능이 특정 제품으로 통합되는 양상이다. 아래의 제품군 중에서 123D Make는 Fusion 360에 일부 기능이 통합되었고 123D Sculpt+, 123D Design은 개발이 중단되었다. 스마트폰 앱으로 동작하며 사진을 360도 방향으로 8장 이상 찍어서 3D 모델을 만들어 주는 123D Catch는 사진과 스캔을 통해서 3D 모델을 만들어 주는 ReCap Pro 소프트웨어로 대체되었다.

 

Tinkercad(팅커캐드) : WebGL 기반의 브라우저에서 구동되는 모델러이다. 원통, 상자, 구등의 기본형상과 영문 알파벳 형상이 제공된다. 선택된 형상을 작업평면에 끌어다가 배치할 수 있다. 배치된 형상을 서로 결합하거나 교차되는 부분을 제거해서 새로운 형상을 만들 수 있다. 형상을 서로 조합해서 새로운 도형을 만드는 불린(CSG) 기능을 적용해서 새로운 도형을 만들 수 있다. 아래의 그림은 팅커캐드로 모델링을 하는 예제이다. 박스와 폴리곤 쉐이프를 결합해서 만든 형상이다. 폴리곤은 면의 개수를 조정해서 삼각 기둥으로 만들어서 박스 도형 중앙에 두면 된다.

 

아래그림은 불린의 예제이다. 그림 왼쪽은 조합(Union) 기능이며 2개의 형상을 합쳐서 하나의 형상으로 만드는 방식이다. 가운데 예제는 박스에서 구가 겹친 부분을 제거한 형상을 만드는 차이(Difference) 기능이다. 오른쪽 예제는 박스와 구가 겹치는 부분만을 남기는 교차(Intersection) 기능이다. 3D 모델링에서 필수적으로 사용되는 기능이며 3가지 기능을 이용해서 보다 다양한 형상을 만들어낼 수 있다.  불린 방법은 2차원에서도 적용가능하며 파워포인트에서 자기만의 도형을 만들기 위해서 사용된다. 본 블로그의 파워포인트 관련 글에서 내용을 확인할수 있다.