[논문]실물 제작을 위한 3D 프린팅 소프트웨어 기술

최수미; 신일규; 최예준; 최강현

실물 제작을 위한 3D 프린팅 소프트웨어 기술 원문보기

電子工學會誌 = The journal of Korea Institute of Electronics Engineers, v.43 no.8 = no.387, 2016년, pp.49 - 59

최수미 (세종대학교 컴퓨터공학과) , 신일규 (세종대학교 컴퓨터공학과) , 최예준 (세종대학교 컴퓨터공학과) , 최강현 (세종대학교 컴퓨터공학과)

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문제 정의

본 논문에서는 그래픽스 분야에서 진행되고 있는 3D 프린팅 소프트웨어 기술 개발을 중심으로 최근 연구 동향을 살펴보았다. 전통적인 기하학적 모델링, 물리기반 모델링, 외관 렌더링, 텍스쳐링, 움직임 시뮬레이션과 같은 그래픽스 기술들이 보편적으로 사용되는 FDM 방식의 적층형 3D 프린터에서 나타나는 문제들을 어떻게 해결할 수 있는가를 보여주는 흥미로운 연구들이 진행되고 있었다.
3D 프린터가 보편화되고 발전함에 따라 관련 소프트웨어 기술에 대한 연구들이 진행되고 있으나, 여러 단계에서의 알고리즘들이 아직 부족한 상황이다. 본 논문에서는 컴퓨터 그래픽스 분야에서 최근 발표된 3D 프린팅 소프트웨어 기술을 살펴보고자 한다. 먼저 주요 3D 프린팅 방식을 II장에서 설명하고, 3D 프린팅 관련 기술 동향 및 주요 이슈들을 III장에서 살펴본 후, 마지막으로 IV장에서 결론을 맺는다.

제안 방법

보다 정확한 맵핑을 위해 물체와 필름이 붙는 상황을 3D 캡처하고, 물체에 필름이 달라붙는 상황을 시뮬레이션 하여 스트레치 되는 정도를 계산하였다. 그리고 이를 기반으로 필름의 크기와 위치를 최적화 하였다.
이를 위해, 관절의 링크구조와 모션커브의 한 지점에 컨트롤 포인트를 설정하고, 사용자가 이를 직관적으로 잡아당겨 수정할 수 있도록 해주는 인터페이스를 제공한다. 또한, 모델을 감싸고 있는 컨트롤 박스를 채택하여 사용자가 보다 간편 하게 관절의 링크구조를 변경시킬 수 있게 하였다.
이 방법은 물 위에 맵핑할 이미지를 필름에 출력하여 띄워두고 출력물을 서서히 물 안으로 밀어 넣으면, 물의 표면장력과 필름의 접착력에 의해 물체에 달라붙는 원리를 이용한 방법이다. 보다 정확한 맵핑을 위해 물체와 필름이 붙는 상황을 3D 캡처하고, 물체에 필름이 달라붙는 상황을 시뮬레이션 하여 스트레치 되는 정도를 계산하였다. 그리고 이를 기반으로 필름의 크기와 위치를 최적화 하였다.
이 방법은 얇은 플라스틱판에 레이져 프린터로 출력한 텍스쳐를 옮기고, 3D 프린터로 출력된 몰드를 통해 캐스팅 된 물체 위에서 가열한 후, 모델을 랩핑(wrapping) 하듯 흡입기를 이용하여 흡착시키는 방법이다. 앞선 수전사 방법과 마찬가지로 텍스쳐가 스트레치 되는 정도와 흡착되는 시점에서 플라스틱 판이 변형되는 정도를 시뮬레이션하며, 이를 기반으로 정확하게 텍스쳐를 맵핑한다. 이러한 열성형 결과는 매끄러운 플라스틱판이 모델을 감싸면서 모델 형태로 변하기 때문에 FDM 방식의 프린터로 출력한 결과에 비해 표면이 매끄럽고, 수전사 방법에 비해 색상이 더욱 선명하게 맵핑된다.
이 알고리즘은 출력될 모델의 최적화된 방향을 찾고, 이후 모델의 돌출부를 분석하여 과 같이 가지 모양으로 지지대를 모델링한다.
이 연구는 모델의 모양과 무게 중심을 분석한 후 지탱되는 부분을 무겁게 만들기 위해 과 같이 빈 공간(cavity)을 이용한다.
. 이 연구에서는 모델의 모양과 방향에 따라 생성되는 지지대의 수와 부피를 계산하여 가장 적은 부피로 모델의 방향을 설정하고, 이 결과를 원래 방향으로 배치했을 때 생성되는 지지대들의 총 부피와 비교하여 분석하였다. 이를 통해 모델의 모양에 따른 효율적인 지지대 최적화 방법을 제안하였다.
. 이를 위해 모델 표면의 미세 기하를 변경하며, 사전 단계에서 미리 측정해둔 3D 프린터 재료의 반사도와 광택 정도를 분석하여 미세 기하를 최적화 시킨다.
. 이를 위해, 관절의 링크구조와 모션커브의 한 지점에 컨트롤 포인트를 설정하고, 사용자가 이를 직관적으로 잡아당겨 수정할 수 있도록 해주는 인터페이스를 제공한다. 또한, 모델을 감싸고 있는 컨트롤 박스를 채택하여 사용자가 보다 간편 하게 관절의 링크구조를 변경시킬 수 있게 하였다.
이 연구에서는 모델의 모양과 방향에 따라 생성되는 지지대의 수와 부피를 계산하여 가장 적은 부피로 모델의 방향을 설정하고, 이 결과를 원래 방향으로 배치했을 때 생성되는 지지대들의 총 부피와 비교하여 분석하였다. 이를 통해 모델의 모양에 따른 효율적인 지지대 최적화 방법을 제안하였다.

성능/효과

이 알고리즘의 핵심은 출력되는 모델의 부위에 따라 적용되는 중력을 측정하여, 그 부위에 해당하는 내부채움 패턴의 크기와 분포도를 계산한 후 <그림 5>와 같이 육각형 모양의 패턴으로 채운다. 이를 통해 보다 가볍고 튼튼한 모델을 출력할 수 있으며, 재료와 출력 시간을 줄이는 것이 가능해졌다.

후속연구

현재 슬라이싱 프로그램들은 표준화가 되어있지 않아 프린터의 기종에 따라 다른 프로그램을 사용해야한다. 따라서 향후 슬라이싱을 위한 표준화 연구가 필요하다.
특히, 형상 및 움직임을 고려한 모델링에서 나아가, 수전사 방식 또는 열성형 프린팅 기술을 이용해서 저가의 FDM 방식의 프린터로 고가의 SLS 분말 프린터처럼 3D 모델에 텍스쳐링하는 기술을 보면서, 다양한 그래픽스 렌더링 방법들이 출력물의 외관 품질, 색상, 텍스쳐를 향상시키는데 적용될 수 있을 것으로 생각된다. 또한, 현재 제시된 많은 방법들이 저가의 FDM 방식의 프린터 위주로 개발되었지만, 향후 SLA 또는 SLS 방식의 프린터가 대중화되고 복합재료 프린팅을 위한 여러 소재들이 개발되면 더욱 더 다양한 연구들이 이루어질 것이라 기대한다.
전통적인 기하학적 모델링, 물리기반 모델링, 외관 렌더링, 텍스쳐링, 움직임 시뮬레이션과 같은 그래픽스 기술들이 보편적으로 사용되는 FDM 방식의 적층형 3D 프린터에서 나타나는 문제들을 어떻게 해결할 수 있는가를 보여주는 흥미로운 연구들이 진행되고 있었다. 특히, 형상 및 움직임을 고려한 모델링에서 나아가, 수전사 방식 또는 열성형 프린팅 기술을 이용해서 저가의 FDM 방식의 프린터로 고가의 SLS 분말 프린터처럼 3D 모델에 텍스쳐링하는 기술을 보면서, 다양한 그래픽스 렌더링 방법들이 출력물의 외관 품질, 색상, 텍스쳐를 향상시키는데 적용될 수 있을 것으로 생각된다. 또한, 현재 제시된 많은 방법들이 저가의 FDM 방식의 프린터 위주로 개발되었지만, 향후 SLA 또는 SLS 방식의 프린터가 대중화되고 복합재료 프린팅을 위한 여러 소재들이 개발되면 더욱 더 다양한 연구들이 이루어질 것이라 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	FDM/FFF 프린터는 어떤 방식을 사용하는가?	저가형으로 대중화된 FDM(Fused Deposition Modeling)/FFF(Fused Filament Fabrication) 프린터는 가는 실 같은 필라멘트 형태의 열가소성 수지(thermoplastics)를 노즐 안에서 녹여 얇은 필름 형태로 출력하여 적층하는 방식을 사용한다. 프린팅 재료로는 PLA 또는 ABS 플라스틱 필라멘트를 주로 사용한다.
	FDM/FFF 방식에서 주로 사용하는 프린팅 재료는?	저가형으로 대중화된 FDM(Fused Deposition Modeling)/FFF(Fused Filament Fabrication) 프린터는 가는 실 같은 필라멘트 형태의 열가소성 수지(thermoplastics)를 노즐 안에서 녹여 얇은 필름 형태로 출력하여 적층하는 방식을 사용한다. 프린팅 재료로는 PLA 또는 ABS 플라스틱 필라멘트를 주로 사용한다. 일반적으로 가정용 프린팅을 위해서는 냄새, 수축, 프린팅 최대 속도 등을 고려하여 PLA 필라멘트가 선호되어진다.
	ABS 필라멘트의 특징은?	일반적으로 가정용 프린팅을 위해서는 냄새, 수축, 프린팅 최대 속도 등을 고려하여 PLA 필라멘트가 선호되어진다. ABS 필라멘트는 고온(220도 정도)에서 사용 가능하며 출력시 수축현상이 발생하지만, 내구성이 뛰어나고 아세톤을 이용한 화학적인 후처리도 가능하다. FDM/FFF 방식의 경우 일반적으로 대상 물체만큼의 재료를 필요로 한다.

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P. Herholz, W. Matusik, M. Alexa, "Approximating Free-form Geometry with Height Fields for Manufacturing", Computer Graphics Forum, Vol. 34, No. 2, pp. 239-251, 2015.

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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