캐드와 3D 프린팅 소프트웨어

3D 프린팅을 위한 절차는 아래의 그림과 같다. 3D 형상인 모델을 만드는 모델링 과정이 필요하다. 모델은 STL 파일 포맷으로 저장이 되고 STL로 저장된 삼각형을 가로방향으로 특정한 높이만큼 나누는 슬라이싱 단계를 거쳐서 프린터 헤드의 이동경로를 나타내는 G-code로 변경되고 그 경로를 따라서 3D 프린터의 필라멘트가 사출 되어 적층 되면서 물리적으로 형상이 만들어진다. 출력이 완료되고 원본 형상을 만들기 위해서 부가적으로 출력된 구조물을 제거하거나 형상을 세공하는 후처리 과정이 필요하다.

 

 

3D 프린팅의 첫 단계로 물리적으로 출력할 형상 데이터가 필요하다. 캐드기반의 3D 모델링 프로그램을 이용해서 만들 수 있다. 3D 모델은 3차원 공간에서 x, y, z 축의 좌표 값을 가지는 점이 정해지고, 3개의 점의 모여서 삼각형 형태의 면이 정해지고 여러 개의 면이 모여서 만들어진다. 아래의 그림 왼쪽을 보면 돌고래 모양의 형상이 보인다. 이 형상이 3D 모델이며 여러 개의 삼각형으로 구성된다. 각각의 삼각형은 고유의 좌표 값을 가진 3개의 점으로 표현된다. 좌표 값을 가지는 점들로 만들어진 삼각형 정보는 STL 파일 포맷으로 저장될 수 있다. 아래 그림 오른쪽은 STL 파일 포맷의 예제이다. 각각의 삼각형은 삼각형에 수직인 법선벡터를 1개씩 가지며 loop 안에 3개의 좌표 값을 가지는 삼각형 1개의 정보가 기록된다. 이와 같은 방식으로 모든 삼각형 정보가 파일로 저장될 수 있다. 캐드 모델링 프로그램은 아래와 같다.

 

 

 

Meshmixer(메쉬믹서)는 삼각형의 덩어리 메쉬를 드래그, 드롭으로 기존에 형상에 더해서 형상을 더 커지게 하는 기능이 핵심이다. 기존 형상에 메쉬를 추가할 때 불린 방식이 적용된다. 메쉬의 촘촘한 정도를 조정하거나, 메쉬를 구성하는 삼각형의 개수를 줄이거나. 삼각형들을 특정 축 방향으로 늘리는 메쉬 편집 기능이 있다. 메쉬를 구성하는 삼각형의 개수를 늘려서 메쉬의 형상을 부드럽게 하는 메쉬 변형 기능도 포함한다. 메쉬를 구성하는 삼각형을 늘이거나, 줄어들게 하면서 마치 조각하는 듯한 기능도 추가되었다. 3D 프린팅을 하기 위해서 메쉬는 방수 구조가 되어야 한다. 메쉬 안에 가상으로 물을 채운다고 가정했을 때 물이 새어 나오는 구멍이 없는 구조이다. 이러한 방수 구조를 만들기 위해서 메쉬 믹서는 메쉬를 솔리드로 만들어 주는 기능이 있다. 3D 프린터로 출력 전에 메쉬의 두께 강도가 약한 부분을 점검해 주는 메쉬 분석 기능도 있다. 3D 프리터를 직접 출력하기 위해서 프린터가 지원하는 최대 출력 크기를 볼 수 있는 뷰어가 있으며 프린터 제조사에서 제공하는 슬라이서와 연결해서 출력할 수 있다.

 

 

메쉬 믹서의 핵심 기능 중의 하나는 서포터 생성이다. 위의 그림 왼쪽 위를 보면 토끼 형상이 보인다. 메쉬를 구성하는 삼각형의 법선벡터와 지면에 수직으로 아래 방향의 벡터가 이루는 각도를 계산해서 0도에 가까울수록 서포터가 필요 없으며 90도에 가까울수록 오버행 영역이다. 토끼 형상의 붉은 지점이 바로 서포터가 필요한 부분이다. 메쉬 믹서 서포터의 특징 중에 하나는 서포터 형상인데 나뭇가지와 같은 형태이다. 이와 같은 방식은 서포터의 출력 시간과 재료 절감의 이점이 있다. 

 

Sketchup(스케치업)은 3D 모델링 도구이다. 다른 프로그램과 차별화되는 점은 모델링 방식이다. 면을 당기고 미는 push, pull 방식의 모델링 기법을 적용했다. 아래 그림 오른쪽은 push, pull 모델링 예제이다. 바닥면을 그리고 면을 위로 당겨서 빠르게 3D를 만들 수 있다. 스케치업의 장점은 데이터 저장소이다. 사용자가 만들어서 등록한 모델을 다른 사용자가 다운로드하여서 쓸 수 있는 공간을 만들어서 제공한다. 스케치업의 또 다른 강점은 Ruby(루비) 프로그래밍 언어를 지원한다. 루비를 이용하여 스케치업에서 구동되는 별도의 도구, extension(익스텐션)을 만들어서 붙일 수 있다. 그림 아래 왼쪽은 다양한 카테고리의 익스텐션 예제이다. 3D 프린팅을 위한 익스텐션도 보인다. 3D 프린팅 관련 업체에서 익스텐션을 만들어서 등록했다. 모델을 수정하고 출력이 가능하도록 만들어주는 기능을 수행한다.